Пассивный транспорт уравнение фика определяет

Презентация на тему «Пассивный транспорт неэлектролитов через биологическую мембрану»

Обращаем Ваше внимание, что в соответствии с Федеральным законом N 273-ФЗ «Об образовании в Российской Федерации» в организациях, осуществляющих образовательную деятельность, организовывается обучение и воспитание обучающихся с ОВЗ как совместно с другими обучающимися, так и в отдельных классах или группах.

Описание презентации по отдельным слайдам:

Пассивный транспорт неэлектролитов через клеточные мембраны

Отличия облегченной диффузии от простой: 1) перенос ионов с участием переносчика происходит значительно быстрее по сравнению со свободной диффузией; 2) 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; 3) при облегченной диффузии наблюдается конкуренция переносимых веществ в тех случаях, когда одним переносчиком переносятся разные вещества и при этом одни вещества переносятся лучше, чем другие, и добавление одних веществ затрудняет транспорт других; 4) есть вещества, блокирующие облегченную диффузию, они образуют прочный комплекс с молекулами переносчика, препятствуя дальнейшему переносу. Разновидностью облегченной диффузии является транспорт с помощью неподвижных молекул переносчиков, фиксированных определенным образом поперек мембраны. При этом молекула переносимого вещества передается от одной молекулы переносчика к другой по типу эстафеты.

Транспорт веществ в клетку Перенос веществ через биологические мембраны сопряжен с такими важнейшими биологическими явлениями, как внутриклеточный гомеостаз ионов, биоэлектрические потенциалы, возбуждение и проведение нервного импульса, запасание и трансформация энергии

Различают несколько видов транспорта: 1. Юнипорт – это транспорт вещества через мембрану независимо от наличия и переноса других соединений. 2. Контранспорт – это перенос одного вещества сопряженного с транспортом другого: симпорт и антипорт а) причем однонаправленный перенос называется симпортом – всасывание аминокислот через мембрану тонкого кишечника, б) противоположно направленный — антипортом (натрий – калиевый насос). Транспорт веществ может быть — пассивный и активный транспорт (перенос) Пассивный транспорт не связан с затратами энергии, он осуществляется путем диффузии (направленного движения) по концентрационным (из maс в сторону min), электрическим или гидростатическим градиентам. Вода перемещается по градиенту водного потенциала. Осмос — это перемещение воды через полупроницаемую мембрану. Активный транспорт осуществляется против градиентов (из min в сторону maс), связан с затратой энергии (преимущественно энергии гидролиза АТФ) и сопряжен с работой специализированных мембранных белков переносчиков (АТФ — синтетазы).

Пассивный перенос может осуществляться: а. Путем простой диффузии через липидный бислой мембраны, а также через специализированные образования — каналы. Путем диффузии через мембрану проникают в клетку: незаряженные молекулы, хорошо растворимые в липидах, в т.ч. многие яды и лекарственные средства, газы — кислород и углекислый газ. ионы – они поступают через пронизывающие каналы мембраны, представляющие собой липопротеиновые структуры, Они служат для переноса определенных ионов (например, катионов – Na, K, Ca, анионов Cl, P,) и могут находиться в открытом или закрытом состоянии. Проводимость канала зависит от мембранного потенциала, что играет важную роль в механизме генерации и проведения нервного импульса. б. Облегчённой диффузии. В ряде случаев перенос вещества совпадает с направлением градиента, но существенно превосходит по скорости простую диффузию. Этот процесс называют облегченной диффузией; он происходит с участием белков-переносчиков. Процесс облегченной диффузии не нуждается в энергии. Этим способом транспортируются сахара, аминокислоты, азотистые основания. Такой процесс происходит, например, при всасывании сахаров из просвета кишечника клетками эпителия. в. Осмоса – перемещения растворителя через мембрану

Простая диффузия При простой диффузии частицы вещества перемещаются сквозь билипидный слой. Направление простой диффузии определяется только разностью концентраций вещества по обеим сторонам мембраны. Путём простой диффузии в клетку проникают гидрофобные вещества (O2,N2,бензол) и полярные маленькие молекулы (CO2, H2O, мочевина). Не проникают полярные относительно крупные молекулы (аминокислоты, моносахариды), заряженные частицы (ионы) и макромолекулы (ДНК, белки).

Виды простой диффузии неэлектролитов 1. Через бимолекулярный липидный слой проходят хорошо растворимые неполярные вещества: органические жирные кислоты, эфиры, кислород, углекислый газ. Плохо проходят полярные водорастворимые вещества: соли, основания, сахара, аминокислоты, спирты.

2. Через пору в бимолекулярном липидном слое проникают молекулы нерастворимых в липидах веществ и водорастворимые гидратированные ионы(окружённые молекулами воды). Для жиронерастворимых веществ и ионов мембрана выступает как молекулярное сито: чем больше размер молекулы, тем меньше проницаемость мембраны для этого вещества.

3. Фильтрация Фильтрацией называется движение жидкости через поры в мембране под действием градиента гидростатического давления. 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.

4. Осмос это движение молекул воды через полупроницаемую мембрану из области меньшей в область большей концентрации растворенного вещества. Осмос – это простая диффузия воды. Перемещение молекул воды продолжается до тех пор, пока концентрация воды по обе стороны мембраны не станет равной. Осмос играет большую роль во многих биологических явлениях. Явление осмоса обуславливает гемолиз эритроцитов в гипотонических растворах.

Уравнение Фика Для описания диффузии незаряженных частиц используют уравнение Фика: Ф = — D *dC/dX В этом виде уравнение Фика определяет поток незаряженных частиц через единичную площадь в случае, если не существует перегородки (мембраны), которая может затруднять перенос, где: D D — коэффициент диффузии,dC/dX- градиент концентрации Для клеточной мембраны: dx = L — толщина мембраны, dC = Сi — Сe, где Сi и Сe -концентрация частиц внутри и снару­жи клетки. В уравнение Фика для клетки добавляется коэффици­ент К (коэффициент распределения), который определяет соотно­шение концентрации частиц между средой и мембраной и в ко­нечном итоге скорость переноса. Учитывая это, уравнение Фика для клеточной мембраны представляется в виде: DK / L = Р — называют эффективным коэффициентом прони­цаемости, тогда Ф = — Р (Сe -Сi)

Облегченная диффузия Большинство веществ переносится через мембрану с помощью погружённых в неё транспортных белков (белков-переносчиков). Все транспортные белки образуют непрерывный белковый проход через мембрану. С помощью белков-переносчиков осуществляется как пассивный, так и активный транспорт веществ. Полярные вещества (аминокислоты, моносахариды), заряженные частицы (ионы) проходят через мембраны с помощью облегченной диффузии, при участии белков-каналов или белков-переносчиков. Участие белков-переносчиков обеспечивает более высокую скорость облегченной диффузии по сравнению с простой пассивной диффузией.

Скорость облегченной диффузии зависит от ряда причин: от трансмембранного концентрационного градиента переносимого вещества, от количества переносчика, который связывается с переносимым веществом, от скорости связывания вещества переносчиком на одной поверхности мембраны (например, на наружной), от скорости конформационных изменений в молекуле переносчика, в результате которых вещество переносится через мембрану и высвобождается на другой стороне мембраны. Облегченная диффузия не требует специальных энергетических затрат за счет гидролиза АТФ. Эта особенность отличает облегченную диффузию от активного трансмембранного транспорта.

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.

Диффузия с подвижным переносчиком Скорость проникновения в клетку таких веществ, как глюкоза, глицерин, аминокислоты, не имеет линœейной зависимости от разности концентраций. При определœённых значениях концентрации скорость проникновения намного больше, чем следует ожидать для простой диффузии. При диффузии с подвижным переносчиком скорость переноса вещества возрастает, в случае если молекулы (А) этого вещества образуют комплекс с молекулами (Х) вспомогательного вещества. Вспомогательное вещество обладает повышенной растворимостью в липидах. На поверхности мембраны молекулы (А) соединяются с молекулами (Х) и в виде комплекса (АХ) проходят в клетку. В клетке комплекс разрушается, молекулы вещества (А) освобождаются, а переносчик (Х) захватывает у наружной поверхности мембраны новую молекулу переносимого вещества. Процесс переноса проходит до тех пор, пока концентрация переносимого вещества не выровняется по обе стороны мембраны

Схема диффузии с подвижным переносчиком

Облегченная диффузия с фиксированным переносчиком Цепочка молекул переносчика выстраивается внутри канала в мембране или выстилает канал. Молекула переносимого вещества (А) передвигается внутри канала от одного переносчика л другому. При этом предполагается, что пространство в канале недостаточно велико для прохождения частиц вещества, в связи с этим они связываются с молекулами переносчиков, передвигаясь от одного к другому

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.

Рис.Схема пассивного транспорта

Плотность потока вещества j_m 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.

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/dt — объемная 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.

Дата добавления: 2016-02-02 ; просмотров: 2789 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Пассивный транспорт веществ и его разновидности. Математическое описание пассивного транспорта

Пассивный транспорт веществ через клеточные мембраны включает в себя следующие разновидности: фильтрацию, простую диффузию и облегченную диффузию (см. рис. 19.6).

Простая диффузия – процесс переноса вещества из области с большей концентрацией в область меньшей концентрации. Диффузия описывается уравнением Фика:

,

где вектор плотности потока массы диффундирующего вещества, направлен в сторону переноса. — масса вещества, переносимая в единицу времени вследствие диффузии через выделенную единичную площадку, ориентированную перпендикулярно вектору плотности потока.

.

— вектор градиента концентрации диффундирующего вещества, вектор градиента направлен в сторону возрастания концентрации, в декартовой системе координат выражение имеет вид:

.

где , , — единичные векторы, направленные вдоль осей OX, OY, OZ. .

D – коэффициент диффузии, зависит от температуры и свойств диффундирующего вещества. .

Таким образом, вектор плотности потока вещества при диффузии направлен в сторону, противоположную вектору градиента концентрации диффундирующего вещества (см. рис. 19.7).

В медицинской литературе традиционно принято считать, что вектор градиента концентрации направлен в сторону уменьшения концентрации вещества. В дальнейшем изложении материала мы будем придерживаться этого нетрадиционного определения направления вектора градиента (еретичного для математической теории поля, в рамках которой было сформулировано понятие вектора градиента поля).

Если имеет место одномерная диффузия, т.е. перенос вещества осуществляется вдоль одной оси, например, оси ОХ, в выбранной системе координат, то уравнение Фика может быть представлено в скалярной форме:

Уравнение Фика, адаптированное к условиям переноса вещества через биологическую мембрану посредством простой диффузии, имеет вид (см. рис. 19.8):

,

где С_i и C₀ – концентрации диффундирующего вещества внутри и вне клетки. С_mi и C_m0 – концентрации диффундирующего вещества внутри мембраны на границе мембрана — внутреннее содержимое клетки и мембрана — внешняя среда. L — толщина мембраны, D – коэффициент диффузии, k – коэффициент распределения молекул диффундирующего вещества, равный отношению концентрации молекул на границе мембраны и вне ее, P=Dk/L – проницаемость мембраны. Проницаемость мембраны определяется как свойствами диффундирующего вещества (коэффициентом диффузии), так и состоянием мембраны.

Электродиффузия. Диффузия заряженных частиц, ионов, через мембраны зависит не только от концентрационного градиента, но и от электрического градиента мембраны, то есть от напряженности в ней электрического поля ( , ).

В связи с этим перенос ионов может происходить в направлении, противоположном градиенту концентрации. Совокупность концентрационного и электрического градиентов называют электрохимическим градиентом.

Поток вещества при электродиффузии определяется уравнением Нернста-Планка:

(векторная форма),

(проекция векторных величин на ось ОХ),

гдеg — константа электрического переноса.

Облегченная диффузия. Путем простой диффузии в клетку поступают немногие вещества (например, кислород, СО₂) Этот процесс протекает очень медленно и обусловлен лишь разностью концентраций этих веществ. Особенностью биомембран является их избирательность (селективность) по отношению ко многим переносимым веществам.

Селективность мембран обусловлена двумя причинами: наличием в них переносчиков,называемыхионофорами (подвижныхификсированных) и каналов.

Облегченная диффузия – процесс транспорта веществ с помощью специальных молекул-переносчиков. Например, на внешней стороне мембраны переносчик соединяется с некоторым веществом и проникает через мембрану. На внутренней стороне мембраны происходит отделение от вещества переносчика, который возвращается к внешней поверхности мембраны (см. рис. 19.9). Рассмотренный пример облегченной диффузии относится к типу облегченной диффузии с подвижным переносчиком. Второй тип облегченной диффузии – диффузия с помощью фиксированных переносчиков. При диффузии с фиксированным переносчиком транспорт молекул переносимого вещества происходит с помощью неподвижных молекул-переносчиков (молекула переносимого вещества передается от одной молекулы переносчика к другой, как по эстафете).

Фильтрация. Фильтрация представляет собой перенос молекул растворителя под действием градиента давления. Таким образом, причиной и движущей силой в процессе фильтрации является разность давлений. Объем растворителя, перенесенного в результате фильтрации, определяется формулой Пуазейля:

,

где — перепад давления на расстоянии , — вязкость жидкости, — радиус поверхности фильтрации, — время переноса.

Осмос. Осмос представляет собой диффузию молекул растворителя через полупроницаемую пленку из области с меньшей концентрацией раствора в область большей концентрации.

Явление осмоса наблюдается, когда два соляных раствора с разными концентрациями разделены полупроницаемой мембраной. Полупроницаемая мембрана пропускает молекулы и ионы определенного размера, но служит барьером для веществ с молекулами большего размера. Например, молекулы воды способны проникать через мембрану, а молекулы растворенных в воде солей — нет.

Если по разные стороны полупроницаемой мембраны находятся растворы солей с разной концентрацией (см. рис. 19.10), то молекулы воды (растворителя) будут перемещаться через мембрану из слабо концентрированного раствора в более концентрированный, вызывая в последнем повышение уровня жидкости. Из-за явления осмоса процесс проникновения воды через мембрану наблюдается даже в том случае, когда оба раствора находятся под одинаковым внешним давлением.

Разница в высоте уровней двух растворов разной концентрации пропорциональна силе, под действием которой вода проходит через мембрану. Эта сила называется «осмотическим давлением». Таким образом, осмотическое давление возникает в растворах с разной концентрацией, разделенных полупроницаемой мембраной, градиент осмотического давления направлен из раствора меньшей концентрации в сторону раствора с большей концентрацией[1].

Проделаем следующий опыт. В воронку, раструб которой затянут бычьим пузырем (бычий пузырь обладает полупроницаемыми свойствами – пропускает молекулы воды и не пропускает молекулы сахара), нальем слабый водный раствор сахара и опустим в сосуд с чистой водой так, чтобы уровни жидкостей в воронке и сосуде совпали. Через некоторое время уровень раствора в воронке начнет медленно повышаться (см. рис. 19.11). Процесс продолжится до тех пор, пока гидростатическое давление столба жидкости высотой h не будет препятствовать дальнейшему поступлению воды из сосуда. Величина гидростатического давления, создаваемого столбом жидкости высотой h, равна rgh, где g – ускорение свободного падения, r — плотность жидкости. Давление, уравновешивающее гидростатическое, называется осмотическим давлением. Повышение уровня раствора в воронке происходит по следующей причине: так как концентрация молекул воды в сосуде больше концентрации молекул воды в воронке, то через полупроницаемую перегородку диффундируют молекулы воды из сосуда в воронку. Молекулы же сахара не могут перейти из воронки в сосуд. Пусть молярная концентрация молекул сахара в сосуде равна нулю, а в воронке С. Избыточная концентрация молекул сахара и создаст парциальное давление растворенного вещества, уравновешиваемое гидростатическим давлением ρgh.

Так как осмотическое давление есть результат бомбардировки полупроницаемой мембраны молекулами растворенного вещества (см. рис. 19.12), то величина осмотического давления может быть рассчитана по формуле идеального газа:

,

где n — число молей растворенного вещества, V – объем раствора, С – молярная концентрация раствора.

Применение теории идеального газа к растворам позволило химику Вант-Гоффу получить прекрасные результаты для растворов многих веществ. Однако для растворов некоторых веществ полученные результаты между измеренными и расчетными значениями осмотических давлений давали расхождение в 2 и более раз. Осмысление возможных причин такого расхождения между теорией и практикой привело ученого С. Аррениуса к открытию явления диссоциации. Единомышленник Вант-Гоффа шведский исследователь С. Аррениус догадался, что если измеренное осмотическое давление раствора поваренной соли в два разе больше расчетного, то и число частиц в растворе в два раза больше, чем молекул NaCl.

Следовательно, величина осмотического давления прямо пропорциональна молярной концентрации растворенного в растворителе вещества, которое лишено возможности участвовать в диффузии вследствие наличия полупроницаемой мембраны и температуре раствора:

,

где множитель i учитывает процессы возможного распада (диссоциации) молекул в растворе. Для растворов неэлектролитов i=1, при диссоциации молекул электролитов на ионы i > 1, при ассоциации i 5 — 7,8 10 5 Па. Такое же осмотическое давление имеет физиологический раствор, т.е. 0,86% растворNaCl. Для сравнения нормальное атмосферное давление равно 10 5 Па. Осмотическое давление в клетках с/х животных составляет (6,8 -7,3)10 5 Па, и оно создает так называемый тургор клетки, придает ей определенную форму.

Основная часть осмотического давления обусловлена растворенными в плазме крови или в цитоплазме солями, но часть его определяется содержащимися в них белками (альбумин, глобулин и др.) и называется онкотическим давлением. Несмотря на его малую величину, оно играет важную роль в распределении воды между тканями и кровью.

Если клетка организма граничит с концентрированным водным раствором вещества, для которого мембрана клетки непроницаема, то вода переходит из клетки в этот раствор. Происходит осмотическое высасывание воды из клетки. Им, в частности, обусловлено чувство жажды, возникающее при приеме сладкой пищи.

В крови позвоночных животных находится специальный белок — сывороточный альбумин, который поддерживает постоянное осмотическое давление в кровеносной системе. Шок при сильных кровотечениях обусловлен не столько потерей крови, сколько резким падением осмотического давления, ведущим к клеточному коллапсу. Поэтому при больших потерях крови необходимо ввести заменители крови, благодаря которым восстанавливается осмотическое давление.