Пассивная диффузия через мембрану: Диффузия – это самопроизвольное перемещение вещества из мест с

Пассивный перенос веществ через мембрану

Пассивная диффузия через мембрану: Диффузия - это самопроизвольное перемещение вещества из мест с

Пассивный транспорт– это перенос вещества из мест с большим значением электрохимического потенциала к местам с его меньшим значением.

Пассивный транспорт идет с уменьшением энергии Гиббса, и поэтому этот процесс может идти самопроизвольно без затраты энергии.

Рис.Схема пассивного транспорта

Плотность потока вещества jm при пассивном транспорте подчиняется уравнению Теорелла:

где U – подвижность частиц, С – концентрация. Знак минус показывает, что перенос происходит в сторону убывания μ.

Для разбавленных растворов при μ = const плотность потока вещества выражается уравнением Нернста-Планка:

где U – подвижность частиц.

Итак, могут быть две причины переноса вещества при пассивном транспорте: градиент концентрации dC / dxи градиент электрического потенциала dφ / dx.

Знаки минусов перед градиентами показывают, что градиент концентрации вызывает перенос вещества от мест с большей концентрацией к местам с его меньшей концентрацией; а градиент электрического потенциала вызывает перенос положительных зарядов от мест с большим к местам с меньшим потенциалом.

В случае неэлектролитов (Z = 0) или отсутствия электрического поля (dφ/dx =0) получаем уравнение:

Согласно соотношению Эйнштейна коэффициент диффузии D=URT. В результате получаем уравнение, описывающее простую диффузию – закон Фика:

Рис.Классификация видов пассивного транспорта

Диффузия — самопроизвольное перемещение вещества из мест с большей концентрацией в места с меньшей концентра вещества вследствие хаотического теплового движения.

Диффузия вещества через липидный бислой вызывается градиентом концентрации в мембране.

Коэффициент проницаемости мембраны зависит от свойств мембраны и переносимых веществ.

Коэффициент проницаемости:

Величина К носит название коэффициента распределения, который показывает соотношение концентрации вещества вне мембраны и внутри ее. Коэффициент проницаемости тем больше, чем больше коэффициент диффузии (чем меньше вязкость мембраны), чем тоньше мембрана (чем меньше l) и чем лучше вещество растворяется в мембране (чем больше К).

Хорошо растворимы в фосфолипидной фазе мембраны неполярные вещества, например органические жирные кислоты, эфиры. Этим вещества хорошо проникают через липидную фазу мембраны.

Плохо проходят через липидный бислой полярные, водорастворимые вещества: соли, основания, сахара, аминокислоты, спирты.

В биологических мембранах был обнаружен еще один вид диффузии – облегченная диффузия. Облегченная диффузия происходит при участии молекул переносчиков. Например, валиномицин – переносчик ионов калия. Молекула валиномицина имеет форму манжетки, устланной внутри полярными группами, а снаружи – неполярными.

Молекулы валиномицина, оказавшиеся у поверхности мембраны, могут захватывать из окружающего раствора ионы калия. Диффундируя в мембране, молекулы переносят калий через мембрану, и некоторые из них отдают ионы в раствор по другую сторону мембраны. Таким образом, происходит перенос иона калия через мембрану валиномицином.

Облегченная диффузия, таким образом, происходит от мест с большей концентрацией переносимого вещества к местам с меньшей концентрацией. По-видимому, облегченной диффузией объясняется также перенос через биологические мембраны аминокислот, сахаров и других биологически важных веществ.

Отличия облегченной диффузии от простой:

· перенос вещества с участием переносчика происходит значительно быстрее;

· облегченная диффузия обладает свойством насыщения: при увеличении концентрации с одной стороны мембраны плотность потока вещества возрастает лишь до некоторого предела, когда все молекулы переносчика уже заняты;

· при облегченной диффузии наблюдается конкуренция переносимых веществ в тех случаях, когда переносчиком переносятся разные вещества; при этом одни вещества переносятся лучше, чем другие, и добавление одних веществ затрудняет транспорт других; так, из сахаров глюкоза переносится лучше, чем фруктоза, фруктоза лучше, чем ксилоза, а ксилоза лучше, чем арабиноза, и т.д.;

· есть вещества, блокирующие облегченную диффузию – они образуют прочный комплекс с молекулами переносчика, например, флоридзин подавляет транспорт сахаров через биомембрану.

Фильтрацией называется движение раствора через поры в мембране под действием градиента давления P. Скорость переноса при фильтрации подчиняется закону Пуазейля:

гда dV/dtобъемная скорость переноса раствора, w – гидравлическое сопротивление/

Явление фильтрации играет важную роль в процессах переноса воды через стенки кровеносных сосудов.

Осмос– преимущественное движение молекул воды через полупроницаемые мембраны (непроницаемые для растворенного вещества и проницаемые для воды) из мест с меньшей концентрацией растворенного вещества в места с большей концентрацией.

Осмос – по сути дела, простая диффузия воды из мест с ее большей концентрацией в места с меньшей концентрацией воды. Осмос играет большую роль во многих биологических явлениях.

Явление осмоса обусловливает гемолиз эритроцитов в гипотонических растворах.

Предыдущая6789101112131415161718192021Следующая

Дата добавления: 2016-02-02; просмотров: 1871; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

ПОСМОТРЕТЬ ЁЩЕ:

Источник: https://helpiks.org/6-74696.html

Перенос молекул (атомов) через мембраны. уравнение фика

Пассивная диффузия через мембрану: Диффузия - это самопроизвольное перемещение вещества из мест с

Вторая функция, общая для всех мембран — это функция “монтажной платы” или матрицы, на которой располагаются в определенном порядке белки и белковые ансамбли, образующие системы переноса электронов, запасания энергии в форме АТФ, регуляции внутриклеточных процессов гормонами, поступающими извне и внутриклеточными медиаторами, узнавания других клеток и чужеродных белков, рецепции света и механических воздействий и т. д.

Гибкая и эластичная пленка, которой по существу являются все мембраны, выполняет и определенную механическую функцию, сохраняя клетку целой при умеренных механических нагрузках и нарушениях осмотического равновесия между клеткой и окружающей средой.

Общая площадь всех биологических мембран в организме человека достигает десятков тысяч квадратных метров. Относительно большая совокупная площадь мембран объясняет их уязвимость при действии факторов внешней среды, таких как облучение, высокая (при ожоге) и низкая (при обморожении) температура, обезвоживание и др.

5. Перенос молекул (атомов) через мембраны. Уравнение Фика

Важной характеристикой мембран является их способность пропускать или не пропускать молекулы (атомы) и ионы. Вероятность такого проникновения зависит как от направления перемещения частиц (в клетку или из клетки), так и от разновидности молекул и ионов.

Эти вопросы относятся к явлениям переноса. Таким термином называют самопроизвольные необратимые процессы, в которых благодаря молекулярному движению из одной части системы в другую переноситсякакая-либо физическая величина.

Рассмотрим наиболее существенные для биологических мембран явления: перенос вещества (диффузию) и перенос заряда (электропроводность).

Как синоним переноса частиц в биофизике используется термин «транспорт частиц».

Основное уравнение диффузии имеет вид

, (1)

где I — плотность потока частиц, – коэффициент диффузии, τ – среднее время оседлой жизни молекулы (среднее время перескока), δ – среднее расстояние между молекулами, c=mn – массовая концентрация, m – масса молекулы, n – концентрация молекул. Знак «-» показывает, что суммарная плотность потока частиц при диффузии направлена в сторону уменьшения их концентрации (увеличения градиента концентрации).

(1) называется уравнением Фика.

Уравнение Фика описывает диффузию в однородной среде. Модифицируем его для случая диффузии через мембрану.

Обратим внимание на следующий известный факт: 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.

Применим уравнение Фика к биологической мембране.

Пусть концентрация частиц, диффундирующих через мембрану, изменяется в мембране линейно (рис.9).

Рис.9. Распределение концентрации частиц, проходящих через мембрану

Тогда

где – толщина мембраны, сi – концентрация частиц внутри клетки, с0 – снаружи клетки, сmi – концентрация частиц в мембране у ее внутренней поверхности, cmo концентрация частиц в мембране у ее внешней поверхности.

Отсюда

или

.

Практически легче определять концентрации частиц не внутри мембраны (cmi и cmo), а вне мембраны: в клетке (сi) и снаружи клетки (co). Предположим, что

где k — коэффициент распределения частиц между мембраной и окружающей средой. Тогда cmo = kco, cmi = kci , и имеем

.

Отсюда

или, окончательно

, (2)

где – коэффициент проницаемости , характеризующий способность мембраны пропускать те или иные вещества.

6. Перенос заряженных частиц. Электродиффузное уравнение Нернста-Планка

На мембране существует разность потенциалов, следовательно, в мембране имеется электрическое поле, которое влияет на диффузию заряженных частиц (ионов и электронов).

Плотность потока заряда дается выражением

, (3)

где φ – потенциал поля, F=eNA — постоянная Фарадея, Z – валентность, Um – подвижность диффундирующих частиц для одного моля.

В общем случае перенос ионов зависит от неравномерности их распределения и воздействия электрического поля. Суммарная плотность потока частиц определяется электродиффузным уравнением Нернста-Планка

. (4)

Для нейтральных частиц (Z=0) уравнение Нернста-Планка переходит в уравнение Фика.

7. Пассивный транспорт веществ через мембрану

Определенный химический состав цитоплазмы каждой клетки поддерживается регулированием транспорта различных веществ через мембраны. Различают два вида транспорта: пассивный и активный.

Пассивный транспорт — перенос молекул и ионов через мембрану, который осуществляется в направлении меньшей их концентрации. Пассивный транспорт не связан с затратой химической энергии.

Он стремится выровнять концентрации частиц по разные стороны от мембраны, т. е. свести к нулю величины их градиентов.

Если бы в клетках существовал только пассивный транспорт, то значения физической величины внутри и вне клетки сравнялись бы, но этого не происходит.

Различают несколько типов пассивного транспорта (рис. 10).

·  Простая диффузия через липидный слой. Она подчиняется уравнению Нернста—Планка. В живой клетке такая диффузия обеспечивает прохождение кислорода и углекислого газа, ряда лекарственных веществ. Однако простая диффузия протекает достаточно медленно и не может снабдить клетку в нужном количестве питательными веществами.

·  Транспорт через каналы (поры). Канал — участок мембраны, включающий белковые молекулы и липиды, который образует в мембране проход. Этот проход допускает проникновение через мембрану молекул воды, крупных ионов. Наличие каналов увеличивает проницаемость Р. Проницаемость Р зависит от числа каналов и от их радиуса.

Каналы могут проявлять селективность по отношению к разным ионам, это выражается в различной проницаемости для разных ионов.

·  Облегченная диффузия — перенос ионов специальными молекулами-переносчиками за счет диффузии переносчика вместе с веществом. Наиболее подробно это явление изучено для случая переноса ионов некоторыми антибиотиками, например валиномицином.

Установлено, что валиномицин резко повышает проницаемость мембраны для ионов К+ благодаря специфике своей структуры. В нем формируется полость, в которую точно и прочно вписывается ион К+ (ион Na+ слишком велик для отверстия в молекуле валиномицина).

Молекула валиномицина, «захватив» ион К+, образует растворимый в липидах комплекс и проходит через мембрану, затем ион К+ остается, а переносчик уходит обратно.

·  Эстафетная передача. В этом случае молекулы-переносчики образуют временную цепочку поперек мембраны и передают друг другу диффундирующую молекулу.

Рис.10. Виды пассивного транспорта: простая диффузия (а), транспорт через каналы (б), облегченная диффузия (в), эстафетная передача (г)

8. 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 них со стороны электрического поля.

Таким образом, активным транспортом осуществляется перенос веществ в направлении, противоположном транспорту, который должен был бы происходить под действием градиентов (прежде всего концентрационного и электрического).

Энергия получается за счет гидролиза молекул особого химического соединения — аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Экспериментально установлено, что энергии распада одной молекулы АТФ достаточно для выведения наружу трех ионов натрия и введения внутрь клетки двух ионов калия. Схема активного транспорта представлена на рис.11.

Источник: http://fiziku5.ru/uchebnye-materialy-po-fizike/perenos-molekul-atomov-cherez-membrany-uravnenie-fika

Пассивный транспорт веществ через мембрану: описание, особенности

Пассивная диффузия через мембрану: Диффузия - это самопроизвольное перемещение вещества из мест с

Что такое пассивный транспорт? Трансмембранное перемещение различных высокомолекулярных соединений, клеточных компонентов, надмолекулярных частиц, которые не способны проникать сквозь каналы в мембране, осуществляется посредством специальных механизмов, например, с помощью фагоцитоза, пиноцитоза, экзоцитоза, переноса через межклеточное пространство. То есть перемещение веществ сквозь мембрану может происходить при помощи различных механизмов, которые подразделяются по признакам участия в них специфических переносчиков, а также по энергозатратам. Ученые подразделяют транспорт веществ на активный и пассивный.

Основные виды транспорта

Пассивный транспорт представляет собой перенос вещества сквозь биологическую мембрану по градиенту (осмотический, концентрационный, гидродинамический и другие), не требующий расхода энергии.

Активный транспорт представляет собой перенос вещества сквозь биологическую мембрану против градиента. При этом расходуется энергия.

Примерно 30 – 40% энергии, которая образуется в результате метаболических реакции в организме человека, тратится на осуществление активного транспорта веществ.

Если рассматривать функционирование человеческих почек, то в них на активный транспорт тратится около 70 – 80% потребленного кислорода.

он подразумевает перенос различных веществ сквозь биологические мембраны по разнообразным градиентам. Такими градиентами могут быть:

  • градиент электрохимического потенциала;
  • градиент концентрации вещества;
  • градиент электрического поля;
  • градиент осмотического давления и прочие.

Процесс осуществления пассивного транспорта не требует каких-либо энергозатрат. Он может происходить при помощи облегченной и простой диффузии. Как нам известно, диффузия представляет собой хаотическое перемещение молекул вещества в разнообразных средах, которое обусловлено энергией тепловых колебаний вещества.

Если частица вещества является электронейтральной, то направление, в котором будет происходить диффузия, определяется разностью концентрации веществ, содержащихся в средах, которые разделены мембраной. К примеру, между отсеками клетки, внутри клетки и вне ее.

Если частицы вещества, его ионы имеют электрический заряд, то диффузия будет зависеть не только от разности концентраций, но и от величины заряда данного вещества, наличия и знаков заряда с обеих сторон мембраны.

Величина электрохимического градиента определяется алгебраической суммой электрического и концентрационного градиентов на мембране.

Пассивный транспорт мембраны возможен, благодаря наличию градиентов концентрации вещества, осмотического давления, возникающего между разными сторонами мембраны клетки или электрического заряда.

К примеру, средний уровень содержащихся в плазме крови ионов Na+ составляет около 140 мМ/л, а содержание его в эритроцитах примерно в 12 раз больше.

Подобный градиент, выражающийся в разности концентраций, способен создавать движущую силу, обеспечивающую перенос молекул натрия в эритроциты из плазмы крови.

Следует отметить, что скорость подобного перехода весьма низкая из-за того, что для клеточной мембраны характерна низкая проницаемость для ионов данного вещества. Гораздо большей проницаемостью данная мембрана обладает в отношении ионов калия. Энергия клеточного метаболизма не используется для совершения процесса простой диффузии.

Скорость диффузии

Активный и пассивный транспорт веществ через мембрану характеризуется скоростью диффузии. Описать ее можно при помощи уравнения Фика: dm/dt=-kSΔC/x.

В данном случае dm/dt представляет собой количество того вещества, которое диффундирует за одну единицу времени, а k представляет собой коэффициент процесса диффузии, который характеризует проницаемость биомембраны для диффундирующего вещества. S равняется площади, на которой происходит диффузия, а ΔC выражает разность концентрации веществ с разных сторон биологической мембраны, при этом x характеризует расстояние, которое имеется между точками диффузии.

Очевидно, что через мембрану наиболее легко будут перемещаться те вещества, которые диффундируют одновременно по градиентам концентраций и электрических полей. Немаловажным условием для осуществления диффузии вещества сквозь мембрану являются физические свойства самой мембраны, ее проницаемость для каждого конкретного вещества.

В силу того, что бислой мембраны сформирован углеводородными радикалами фосфолипидов, обладающих гидрофобными свойствами, вещества гидрофобной природы с легкостью диффундируют через нее. В частности, это относится к веществам, которые легко растворяются в липидах, например, тиреоидные и стероидные гормоны, а также некоторые вещества наркотического характера.

Минеральные ионы и низкомолекулярные вещества, имеющие гидрофильную природу, диффундируют посредством пассивных ионных каналов мембраны, которые сформированы из каналообразующих белковых молекул, а иногда сквозь дефекты упаковки мембраны фосфолипидных молекул, которые возникают в клеточной мембране в результате тепловой флуктуации.

Пассивный транспорт через мембрану – процесс очень интересный.

Если условия нормальные, то значительные количества вещества могут проникать сквозь бислой мембраны только в том случае, если они неполярные и имеют небольшой размер.

В противном случае перенос происходит посредством белков-переносчиков. Подобные процессы с участием белка-переносчика называются не диффузией, а транспортом вещества сквозь мембрану.

Облегченная диффузия

Облегченная диффузия, подобно простой диффузии, происходит по градиенту концентрации вещества. Основное отличие состоит в том, что в процессе переноса вещества принимает участие специальная молекула белка, называемая переносчиком.

Облегченная диффузия является видом пассивного переноса молекул вещества сквозь биомембраны, осуществляемым по градиенту концентрации при помощи переносчика.

Состояния белка-переносчика

Белок-переносчик может находится в двух конформационных состояниях. К примеру, в состоянии А данный белок может обладать сродством с веществом, которое он переносит, его участки для связывания с веществом развернуты внутрь, за счет чего формируется пора, открытая к одной стороне мембраны.

После того, как белок связался с переносимым веществом, изменяется его конформация и происходит его переход в состояние Б. При таком превращении у переносчика теряется сродство с веществом.

Из связи с переносчиком оно высвобождается и перемещается в пору уже по другую сторону мембраны. После того, как вещество перенесено, белок-переносчик снова изменяет свою конформацию, возвращаясь в состояние А.

Подобный транспорт вещества сквозь мембрану называется унипортом.

Низкомолекулярные вещества вроде глюкозы могут транспортироваться сквозь мембрану посредством облегченной диффузии. Такой транспорт может происходить из крови в мозг, в клетки из интерстициальных пространств. Скорость переноса вещества при таком виде диффузии способна достигать до 108 частиц через канал за одну секунду.

Как мы уже знаем, скорость активного и пассивного транспорта веществ при простой диффузии пропорциональна разности концентраций вещества с двух сторон мембраны. В случае же облегченной диффузии эта скорость увеличивается пропорционально увеличивающей разности концентрации вещества до определенного максимального значения.

Выше этого значения скорость не увеличивается, даже несмотря на то что разность концентраций с разных сторон мембраны продолжает увеличиваться.

Достижение такой максимальной точки скорости в процессе осуществления облегченной диффузии можно объяснить тем, что максимальная скорость предполагает вовлечение в процесс переноса всех имеющихся белков-переносчиков.

Какое понятие еще включают в себя активный и пассивный транспорт через мембраны?

Обменная диффузия

Подобный вид транспорта молекул вещества сквозь клеточную мембрану характеризуется тем, что в обмене участвуют молекулы одного и того же вещества, которые находятся с разных сторон биологической мембраны. Стоит отметить, что при таком транспорте веществ концентрация молекул с обеих сторон мембраны абсолютно не изменяется.

Разновидность обменной диффузии

Одной из разновидностей обменной диффузии является обмен, при котором молекула одного вещества меняется на две и более молекул иного вещества.

К примеру, один из путей, по которому происходит удаление положительных ионов кальция из гладкомышечных клеток бронхов и сосудов из сократительных миоцитов сердца – это обмен их на ионы натрия, расположенные вне клетки.

Один ион натрия в этом случае обменивается на три иона кальция. Таким образом, происходит движение натрия и кальция сквозь мембрану, которое носит взаимообусловленный характер. Подобный вид пассивного транспорта сквозь клеточную мембрану называется антипортом.

Именно таким образом клетка способна освободиться от ионов кальция, которые имеются в избытке. Этот процесс является необходимым для того, чтобы гладкие миоциты и кардиомиоциты расслаблялись.

В данной статье был рассмотрен активный и пассивный транспорт веществ через мембрану.

Источник: https://FB.ru/article/331981/passivnyiy-transport-veschestv-cherez-membranu-opisanie-osobennosti

Пассивный перенос. простая и облегчённая диффузия

Пассивная диффузия через мембрану: Диффузия - это самопроизвольное перемещение вещества из мест с

ДОЗИМЕТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Приборы, которые служат для изучения и контроля ионизирующих излучений, называются дозиметрическими.

Дозиметрические приборы условно можно разделить на пять основных видов: индикаторы, спектроскопы, рентгенометры, радиометры, дозиметры.

Индикаторы – приборы для обнаружения и ориентировочной оценки радиационного поля.

Спектроскопы – служат для определения вида излучения и его энергетического спектра.

Рентгенометры – применяются для измерения экспозиционной дозы и мощности рентгеновского и γ-излучения.

Радиометры – предназначены для измерения активности нуклида или плотности потока частиц.

Дозиметрыиспользуются для измерения дозы или мощности дозы ионизирующего излучения.

Основной узел любого дозиметра – это детектор ионизирующего излучения – устройство, обеспечивающее преобразование энергии ионизирующего излучения в другой вид энергии удобной для регистрации: электрический ток, заряд или электрический импульс. С некоторой условностью детекторы можно разделить на три группы: следовые (или трековые), счётчики, интегральные.

Следовые названы так потому, что позволяют наблюдать трек (траекторию движения) частиц радиоактивного излучения. К ним относятся: камера Вильсона, пузырьковая камера, искровая камера, фотопластинки и фотоэмульсии.

Счётчики регистрируют каждый случай попадания в объём детектора отдельных квантов ионизирующего излучения:

а) сцинтилляционные счётчики – в основе работы лежит явление флуоресценциии;

б) полупроводниковые – реагируют на взаимодействие с частицами радиоактивного излучения изменением электропроводности р-п перехода;

в) черенковские – счётчики, действие которых основано на явлении Вавилова-Черенкова;

г) газоразрядные счётчики – детекторы, в которых используется явление возникновения разряда в газах под воздействием отдельного кванта ионизирующего излучения.

Интегральные детекторы – позволяют зафиксировать суммарную энергию ионизирующего излучения за какое-то время: ионизационная камера, счётчик Гейгера-Мюллера, фотодетектор.

В зависимости от того, что является движущей силой перемещения, все виды переноса можно разделить на пассивные и активные.

Пассивный транспорт веществ осуществляется за счет энергии, сконцентрированной в каком-либо градиенте и не связан с затратой химической энергии гидролиза АТФ.

Наиболее значимыми для биологических систем являются градиенты концентрации – dc/dx, электрического потенциала – dφ/dx и гидростатического давления – dр/dx.

Выделяют следующие виды пассивного переноса через биологические мембраны: простая диффузия, диффузия через поры, облегченная диффузия, осмос и фильтрация:

а)Простая диффузия – это самопроизвольное перемещение вещества из мест с большей концентрацией в места с меньшей концентрацией вследствие хаотического теплового движения частиц.

Рассмотрим в качестве примера диффузию из клетки незаряженных частиц определённого вида через биологическую мембрану толщиной l. Запишем уравнение Фика через концентрацию вещества данного вида в растворе.

Не трудно видеть, что для раствора масса растворённого вещества в единице объёма и есть его массовая концентрация (кг/м3). Теперь плотность потока вещества через поверхность мембраны в направлении нормали к ней, в соответствии с (10), запишется:

, (1)

где D – коэффициент диффузии, Δc/Δx – градиент массовой концентрации

вдоль направления переноса. Будем считать, что концентрация частиц, диффундирующих через мембрану, изменяется в мембране по линейному закону от значения сi,м до значения со,м (рис.1). Тогда градиент концентрации можно выразить соотношением:

. (2)

Измерить концентрации со,м и сi,м в приграничных слоях мембраны практически невозможно. Поэтому воспользуемся соотношением:

, (3)

где со и сi концентрации данного вещества в межклеточной жидкости и цитоплазме, соответственно. С учётом того, что сi,м = k сi , a со,м = k со , получим:

. (4)

С учётом (4) уравнение диффузии частиц через мембрану примет вид:

– уравнение Коллендера. (5)

Величина Р = Dk / l называетсякоэффициентом проницаемости.

Проницаемость характеризует способность биологических мембран пропускать или не пропускать молекулы, атомы и ионы. Изучение проницаемости играет важную роль для медицины и, особенно, для фармакологии и токсикологии. Для лечения необходимо знать проникающую способность фармакологических средств и ядов через мембрану в норме и при патологии.

В живой клетке такая диффузия обеспечивает прохождение кислорода и углекислого газа, а также ряда лекарственных веществ и ядов.

б) Диффузия через липидные и белковые поры или каналы (рис.6). Такой механизм проникновения сквозь мембрану характерен для молекул нерастворимых в липидах веществ и водорастворимых гидратированных ионов.

Этот вид переноса допускает проникновение через мембрану не только малых молекул, например, молекул воды, но и более крупных частиц. Значение проницаемости при этом определяется размерами молекул: с ростом размеров молекул их проницаемость уменьшается.

Каналы могут проявлять селективность или избирательность по отношению к разным ионам, это проявляется в разной величине проницаемости для разных ионов.

Диффузия через поры также описывается уравнением Фика. Наличие пор увеличивает значение коэффициента проницаемости Р.

в) Облегченная диффузияпроисходит при участии молекул-переносчиков. Было обнаружено, что скорость проникновения в клетку глюкозы, глицерина, аминокислот не имеет линейной зависимости от разности концентраций.

Для определенных концентраций скорость проникновения вещества через мембрану намного больше, чем следует ожидать для простой диффузии. При увеличении разности концентраций скорость диффузии возрастает в меньшей степени, чем это следует из уравнения Коллендера (5). В данном случае наблюдается облегченная диффузия.

Её механизм состоит в том, что вещество A, которое самостоятельно плохо проникает через мембрану, способно образовать комплекс с молекулами X вспомогательного вещества (рис.7), которое хорошо растворяется в липидах. Молекулы вещества Х, оказавшись у поверхности мембраны, образуют с молекулами А комплекс AX, который способен растворяться в липидах.

Оказавшись в результате диффузии по другую сторону мембраны, некоторые из комплексов отщеплют молекулы A. Молекула X возвращается к наружной поверхности мембраны и может образовать новой комплекс с молекулой А. Разумеется транспорт вещества А таким способом происходит в одну и другую сторону.

Поэтому результирующий перенос возникнет только при условии, что концентрация А по одну и другую стороны мембраны разная. Таким способом, например, антибиотик валиномицин переносить через мембраны ионы калия.

Соединения, обладающие способностью избирательно увеличивать скорость переноса ионов через мембрану получили название ионофоров.

Если концентрация молекул А в среде такова, что все молекулы вещества-переносчика задействованы, то дальнейшее повышении концентрации вещества А не будет больше вызывать рост скорости диффузии. Это означает, что облегчённая диффузия обладает свойством насыщения.

При облегчённой диффузии наблюдается конкуренция переносимых веществ в тех случаях, когда переносчиком выступает одно и тоже соединение. Например, глюкоза переносится лучше, чем фруктоза; фруктоза лучше, чем ксилоза; ксилоза, лучше, чем арабиноза и т.д.

Известны также соединения, способные избирательно блокировать облегчённую диффузию ионов через мембрану. Они образуют прочные комплексы с молекулами переносчиками. Например яд рыбы фугу тетродотоксин блокирует транспорт натрия, флоридзин подавляет транспорт сахаров и т.д.

Разновидностью облегчённой диффузии является транспорт с помощью неподвижных переносчиков. Молекулы X образуют фиксированные цепочки поперек мембраны, например, выстилать изнутри пору (рис.8).

Молекулы переносимого вещества А передаются от одной молекулы переносчика к другой, как по эстафете.

При этом предполагается, что пространство в поре недостаточно велико для прохождения через нее частиц А, если только они не способны к специфическому взаимодействию с переносчиком Х.

Диффузия является основным видом пассивного транспорта веществ через мембрану клетки. Все остальные виды пассивного переноса связаны в основном с транспортом воды.

г) Осмос – диффузия растворителя через полупроницаемую мембрану, разделяющую два раствора с разной концентрацией.Сила, которая вызывает это движение растворителя, называется осмотическим давлением. Рассмотрим это явление на примере водных растворов.

Осмос возникает вследствие теплового движения молекул воды и растворённого вещества. Некоторые молекулы воды, векторы скорости которых параллельны каналам мембраны, проникают через неё. В то же время для растворённого вещества А мембрана непроницаема.

По этой причине поток воды из раствора, где концентрация А ниже будет больше (в этом растворе выше концентрация воды). Процесс приводит к возрастанию гидростатического (водяного) давления в растворе с большей концентрацией А. Это избыточное давление вызывает фильтрацию воды в обратном направлении.

В некоторый момент наступает состояние динамического равновесия. Давление соответствующее этому состоянию называется осмотическим давлением. Величина осмотического давления определяется уравнением Ван-Гоффа:

р = i·c·R·T, (6)

где с – концентрация растворённого вещества; Т – термодинамическая температура; R – газовая постоянная; i – изотонический коэффициент, показывает во сколько раз из-за диссоциации молекул возросло число частиц в растворе. Скорость осмотического переноса воды через мембрану определяется соотношением:

, (7)

где Ро – коэффициент проницаемости, S – площадь мембраны, (р1 – р2) – разность осмотических давлений по одну и другую стороны мембраны.

д) Фильтрацией называется движение жидкости через поры в мембране под действием градиента гидростатического давления. Объёмная скорость переноса жидкости при этом подчиняется закону Пуазейля:

, (8)

где r – радиус поры; l – длина канальца поры; (р1-р2) – разность давлений на концах канальца поры; η – коэффициент вязкости переносимой жидкости; – модуль градиента давления вдоль поры; – гидравлическое сопротивление.

Это явление наблюдается при переносе воды через стенки кровеносных сосудов (капилляров). Явление фильтрации играет важную роль во многих физиологических процессах. Так, например, образование первичной мочи в почечных нефронах происходит в результате фильтрации плазмы крови под действием давления крови.

При некоторых патологиях фильтрация усиливается, что приводит к отёкам.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: https://studopedia.ru/3_40072_passivniy-perenos-prostaya-i-oblegchennaya-diffuziya.html

Транспорт веществ через биологические мембраны Проницаемость мембраны

Пассивная диффузия через мембрану: Диффузия - это самопроизвольное перемещение вещества из мест с

Транспорт веществ через биологические мембраны

Проницаемость мембраны – это способность мембраны пропускать через себя атомы, ионы, молекулы веществ.

Химическим потенциалом (μ) данного вещества называется величина, численно равная энергии Гиббса, приходящаяся на один моль этого вещества.

Для разбавленного раствора вещества с концентрацией С: μ = μ 0 + RTln.

C , где μ 0 – стандартный химический потенциал, численно равный химическому потенциалу данного вещества при его концентрации 1 моль/л в растворе; R – газовая постоянная, Т – температура.

Электрохимический потенциал μ′ величина, численно равная энергии Гиббса G на один моль данного вещества, помещенного в электрическое поле. Для разбавленных растворов: μ′ = μ 0 + RTln. C + z. Fφ, (1) где F – число Фарадея, z – заряд иона электролита (в элементарных единицах заряда), φ – потенциал электрического поля.

Транспорт веществ через мембраны Пассивный Активный

Пассивный перенос веществ через мембрану Пассивный транспорт – это перенос вещества из мест с большим значением электрохимического потенциала к местам с его меньшим значением.

Пассивный транспорт идет с уменьшением энергии Гиббса, и поэтому этот процесс может идти самопроизвольно без затраты энергии.

Плотность потока вещества jm при пассивном транспорте подчиняется уравнению Теорелла: jm = – UC(dμ′/dx), (2) где U – подвижность частиц, С – концентрация вещества. Знак минус показывает, что перенос происходит в сторону убывания μ′.

Плотность потока вещества – это величина, численно равная количеству вещества, перенесенного за единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению переноса: jm = m/(S∙t) [моль/(м 2∙с)] (3), Подставив в (3) выражение для электрохимического потенциала (1), получим для разбавленных растворов при μ 0= const уравнение Нернста—Планка: jm = – URT(d. C/dx) – UCz. F(dφ/dx) (4)

Итак, могут быть две причины переноса вещества при пассивном транспорте: градиент концентрации (d. C/dx) и градиент электрического потенциала (dφ/dx).

Знаки минусов перед градиентами показывают, что градиент концентрации вызывает перенос вещества от мест с большей концентрацией к местам с его меньшей концентрацией; а градиент электрического потенциала вызывает перенос положительных зарядов от мест с большим к местам с меньшим потенциалом.

В случае незаряженных веществ (z = 0) или отсутствия электрического поля (dφ/dx) уравнение Теорелла переходит в уравнение: jm = – URT(d. C/dx) (5) Согласно соотношению Эйнштейна, коэффициент диффузии D=URT. В результате получаем уравнение, описывающее простую диффузию – закон Фика: jm = – D(d. C/dx) (6)

Классификация видов пассивного транспорта

Диффузия В любом растворе происходит перемещение растворенных веществ из области высокой концентрации в область более низкой.

Этот поток веществ в сторону меньшей концентрации (транспорт по градиенту концентрации) существует до тех пор, пока концентрации вещества в двух участках не выровняются.

Перемещение вещества движущей силой которого является градиент концентрации, называется диффузионным, а процесс — диффузией Диффузия – это распространение вещества в результате движения их ионов или молекул, которые стремятся выровнять свою концентрацию в системе.

Простая диффузия Диффузия – самопроизвольное перемещение вещества из мест с большей концентрацией в места с меньшей концентрацией вещества вследствие хаотического теплового движения молекул.

Уравнение Фика для простой диффузии: jm = DК/l(C 1 – C 2) jm = P(C 1 – C 2) P = DK/l C 1 и С 2 – концентрации диффундирующего вещества в растворах около одной и другой поверхностями мембраны, К – коэффициент распределения (соотношение концентрации вещества вне мембраны и внутри ее), l – толщина мембраны, P = коэффициент проницаемости мембраны [м/с].

Простая диффузия Коэффициент проницаемости (Р) тем больше, чем больше коэффициент диффузии (чем меньше вязкость мембраны), чем тоньше мембрана (чем меньше l ) и чем лучше вещество растворяется в мембране (чем больше К).

Хорошо растворимы в фосфолипидной фазе мембраны неполярные вещества, например, органические жирные кислоты, эфиры.

Плохо проходят через липидный бислой полярные, водорастворимые вещества: соли, основания, сахара, аминокислоты, спирты.

Простая диффузия Через липидные и белковые поры сквозь мембрану проникают молекулы нерастворимых в липидах веществ и водорастворимые гидратированные ионы (окруженные молекулами воды).

Для таких веществ и ионов мембрана выступает как молекулярное сито: чем больше размер молекулы, тем меньше проницаемость мембраны для этого вещества.

Избирательность переноса обеспечивается набором в мембране пор определенного радиуса, соответствующих размеру проникающей частицы (зависит от мембранного потенциала).

ОСМОС Вода поглощается клеткой преимущественно путем осмоса. Осмос — это диффузия воды через полупроницаемую мембрану, вызванная разностью концентраций. Удобно рассматривать осмос как одну из форм диффузии, при которой перемещаются только молекулы воды.

Если мембраной разделить растворы сахара с концентрацией 5 и 10% соответственно, то через нее в обоих направлениях будут проходить только молекулы воды. В результате в более разбавленном растворе концентрация сахара повысится, а в более концентрированном, наоборот, понизится. Когда концентрация сахара в обоих растворах станет одинаковой, наступит равновесие.

Растворы, достигшие равновесия, называются Частицы растворителя (синие) способны изотоническими. пересекать мембрану, частицы растворённого вещества (зеленые) — нет.

Существуют и аквапорины – белки, обеспечивающие быстрое прохождение воды через мембрану.

Облегченная диффузия происходит при участии молекул переносчиков. Переносимые вещества: ионы, аминокислоты, сахара, нуклеотиды и др. 1. 2. 3. 4.

Отличия облегченной диффузии от простой: Перенос вещества с участием переносчика происходит значительно быстрее; Облегченная диффузия обладает свойством насыщения: при увеличении концентрации с одной стороны мембраны плотность потока вещества возрастает лишь до некоторого предела, когда все молекулы переносчика уже заняты; При облегченной диффузии наблюдается конкуренция переносимых веществ в тех случаях, когда переносчиком переносятся разные вещества (одни вещества переносятся лучше, чем другие; добавление одних веществ затрудняет транспорт других); Есть вещества, блокирующие облегченную диффузию – они образуют прочный комплекс с молекулами переносчиками, что приводит к подавлению транспорта вещества через мембрану.

Облегчённая диффузия • К белкам–переносчикам относятся ферменты транслоказы и пермиазы. Они связывают своим активным центром вещество с одной стороны мембраны и переносят его сквозь гидрофобный слой мембраны на ее другую поверхность.

• Еще один вариант такой диффузии: после присоединения транспортируемого вещества меняется конформация белкапереносчика и в мембране открывается специальный канал, по которому и проникает вещество.

Модель работы ионного канала При транспорте с помощью неподвижных молекул-переносичков, фиксированных поперек мембраны, молекула переносимого вещества передается от одной молекулы переносчика к другой, как по эстафете.

Фильтрация – движение раствора через поры в мембране под действием градиента давления. Значение – объяснение процессов переноса воды через стенки кровеносных сосудов.

Скорость переноса подчиняется закону Пуазейля: d. V/dt = (P 1 – P 2)/W, где d.

V/dt – объемная скорость переноса раствора, w – гидравлическое сопротивление (w = 8ηl/πr 4), l – длина поры, r – ее радиус, η коэффициент вязкости раствора.

Активный транспорт – это перенос вещества из мест с меньшим значением электрохимического потенциала в места с его большим значением. Активный транспорт в мембране сопровождается ростом энергии Гиббса, он не может идти самопроизвольно, а только за счет затраты энергии, запасенной в макроэргических связях АТФ (т. е. в сопряжении с процессом гидролиза АТФ).

Активный транспорт Виды активного транспорта Ионные насосы Экзоцитоз Эндоцитоз Фагоцитоз Пиноцитоз

Значение активного транспорта: За счет активного транспорта в организме создаются градиенты концентраций, градиенты электрических потенциалов, градиенты давления и т. д. , поддерживающие жизненные процессы. Существование активного транспорта веществ через биологические мембраны впервые было доказано в опытах Уссинга (1949 г. ) на примере переноса ионов натрия через кожу лягушки.

Согласно современным представлениям, в биологических мембранах имеются ионные насосы, работающие за счет энергии гидролиза АТФ, — специальные системы интегральных мембранных белков (транспортные АТФазы).

В настоящее время известны три основных типа электрогенных ионных насосов, осуществляющих активный перенос ионов через мембрану: 1) при работе К+-Nа+-АТФазы за счет энергии, освобождающейся при гидролизе одной молекулы АТФ, в клетку переносится два иона калия и одновременно из клетки выкачиваются три иона натрия. Таким образом, создается повышенная по сравнению с межклеточной средой концентрация в клетке ионов калия и пониженная натрия, что имеет огромное физиологическое значение; 2) при работе Са 2+-АТФазы за счет энергии гидролиза АТФ переносятся два иона кальция (из клетки); 3) в Н+-АТФазе (Н+- помпе) происходит перенос двух протонов.

Принцип работы Работа натрий – калиевого насоса АТФаз-насосов основан на конформационных перестройках белковой макромолекулы при взаимодействии с транспортируемым ионом.

Этапы работы АТФазы: 1) Образование комплекса фермента с АТФ на внутренней поверхности мембраны; 2) связывание комплексом трех ионов натрия; 3) фосфорилирование фермента с образованием АДФ; 4) переворот фермента внутри мембраны; 5) реакция ионного обмена натрия на калий (на внешней поверхности мембраны); 6) обратный переворот ферментного комплекса с переносом ионов калия внутрь клетки; 7) возвращение фермента в исходное состояние с освобождением ионов калия и неорганического фосфата.

Активный транспорт Эндоцитоз – процесс поглощения макромолекул клеткой. При эндоцитозе плазматическая мембрана образует впячивание, края ее сливаются, и происходит отшнуровывание в цитоплазму везикул – эндоцитарных вакуолей.

Активный транспорт Фагоцитоз — захват и поглощение крупных частиц (например, фагоцитоз лимфоцитов, простейших и др Пиноцитоз — процесс захвата и поглощения капелек жидкости с растворенными в ней веществами.

Активный транспорт Экзоцитоз • Экзоцитоз – процесс, обратный эндоцитозу. • Таким способом выводятся гормоны, полисахариды, белки, жировые капли и другие продукты клетки. • Они заключаются в пузырьки, ограниченные мембраной, и подходят к плазмалемме. • Обе мембраны сливаются, и содержимое пузырька выводится в среду, окружающее клетку. Секреция посредством экзоцитоза

Котранспорт • Некоторые транспортные белки переносят одно растворённое вещество (молекул газов, воды) через мембрану – унипорт. • Другие функционируют как котранспортные системы, в которых перенос одного растворённого вещества зависит от одновременного или последовательного переноса второго вещества.

• Второе вещество может транспортироваться в том же направлении – симпорт (ионов или молекул двух различных веществ, например перенос ионов натрия и глюкозы через мембрану клеток эпителия тонкой кишки ) либо в противоположном – антипорт.

Котранспорт возможен как при облегченной диффузии, так и в процессе активного транспорта.

Спасибо за внимание !

Источник: https://present5.com/transport-veshhestv-cherez-biologicheskie-membrany-pronicaemost-membrany/

Medic-studio
Добавить комментарий