Пассивный транспорт веществ через мембрану. Уравнение Теорелла. Уравнение Фика
Все виды переноса веществ через мембрану можно разделить на пассивный и активный транспорт. Пассивный транспорт веществ это вид транспорта, который осуществляется без затрат энергии. Имеются следующие видыпассивного транспортавеществ в клетках и тканях: диффузия, осмос, электроосмос и аномальный осмос, фильтрация.
Пусть Ф – потоквещества, с – его концентрация, m — электрохимический потенциал, u – подвижность, D – диффузия, и u=D/RT. Тогда взаимосвязь между перечисленными величинами может быть найдена с помощью уравнения Теорелла:
Ф = — с u dm/dx (1)
Согласно уравнению Теорелла поток вещества Ф равен произведению концентрации носителя на подвижность и на градиент его электрохимического потенциала. Знак “минус” указывает на то, что поток направлен в сторону убывания m..
Основным механизмом пассивного транспорта веществ, обусловленным наличием концентрационного градиента, является диффузия. Диффузия—это самопроизвольный процесс проникновения вещества из области большей в область меньшей его концентрации в результате теплового хаотического движения молекул.Математическое описание процесса диффузии дал Фик. Согласно закону Фика, скорость диффузии dm/dt прямо пропорциональна градиенту концентрации dC/dx, и площади S, через которую осуществляется диффузия:
Ф = dm/dt = — DS dC/dx (2)
Где Ф – это поток вещества, численно равный количеству вещества диффундирующему через данную площадь в единицу времени. Плотность потока j = Ф/S – это количество вещества диффундирующего через единицу площади в единицу времени. Под скоростью диффузии понимают количество вещества (в молях или других единицах), диффундирующего в единицу времени через данную площадь. Градиент концентрации—это изменение концентрации С вещества, приходящееся на единицу длины, в направлении диффузии. Знак минус в правой части уравнения (2) показывает, что диффузия происходит из области_большей концентрации, в область_меньшей концентрации вещества. Коэффициент пропорциональности Dв уравнении (2) называется коэффициентом диффузии. Его физический смысл легко выяснять, если S и dC/dx приравнять к единице. Коэффициент диффузии численно равен количеству вещества, диффундирующего в единицу времени через единицу площади при градиенте концентрации, равном единице. Коэффициент диффузии зависит, от природы вещества и от температуры. Он характеризует способность вещества к диффузии.
Так как концентрационный градиент клеточной мембраны определить трудно, то для описания диффузии веществ через клеточные мембраны пользуются более простым уравнением:
dm/dt = — PS (C1 – C2) (3), где Р = D/ d
где C1 и C2 — концентрации вещества по разные стороны мембраны; Р — коэффициент проницаемости, аналогичный коэффициенту диффузии, d – толщина мембраны. В отличие от коэффициента диффузии, который зависит только от природы вещества и температуры, Р зависит еще и от свойств мембраны и от ее функционального состояния.
Простая и облегченная диффузия.
Диффузия—это самопроизвольный процесс проникновения вещества из области большей в область меньшей его концентрации в результате теплового хаотического движения молекул.
Различают несколько типов пассивного переноса веществ (диффузии):
1. простая диффузия.
2. перенос через поры.
3. транспорт с помощью переносчиков (подвижных и эстафетной передачи).
Простая диффузия выражается соотношением (уравнение Фика):
J = (dm/dt) / S = -D (dС/dx) , где j -плотность потока вещества, (dС/dx) — градиент концентрации, D — коэффициент диффузии. Это уравнение даёт возможность рассчитать количество вещества (m) попавшее в клетку за определённое время (t) и через известную площадь (S): m = j t S.
Последние два вида диффузии относят к облегченной, т.к. количество вещества переносимое при таком виде транспорта существенно больше.
Если молекулыдиффундирующего вещества движутся без образования комплекса с другими молекулами, то такая диффузия называется простой.
Облегченная диффузиясостоит в том, что вещество слабо диффундирующее через мембрану, транспортируется через нее с помощью подвижных или фиксированных в мембране переносчиков. Разновидностью облегченной диффузии является обменная диффузия, которая состоит в том, что вспомогательное вещество образует соединение с диффундирующим веществом и перемещается к другой поверхности мембраны. На другой поверхности мембраны молекула проникающего вещества освобождается и на ее место присоединяется другая молекула такого же вещества. Например, установлено, что натрий эритроцитов благодаря обменной диффузии быстро обменивается на натрий плазмы.
Электродиффузия. Уравнение Нернста – Планка.
Поскольку в диффузии участвуют не только нейтральные вещества, но и ионы разной полярности, Нернст и Планк предложили формулу:
Ф = -uRT (dc/dx) — cuz F (dj/dx)
где: u = D/RT (называется подвижностью молекул)
R — универсальная газовая постоянная;
T — абсолютная температура;
с — концентрация вещества;
F — число Фарадея;
(dc/dx), (dj/dx) — градиент концентрации и градиент потенциала (то же, что электрическая напряжённость).
Это уравнение выведено из уравнения Теорелла: Ф = -cu (dm/dx), где m — электрохимический потенциал.
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 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.
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: 2779 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Скорость перемещения ионов в электрическом поле.
Между плотностью потока ионов, движущихся под действием элетрического поля, и скоростью движения каждой частицы существует очень простая зависимость. Чтобы её получить, обратимся к рис. 8.
Рис. 8. Связь между величиной плотности потока J и скоростью движения каждой частицы v.
Поскольку каждую секунду через площадь S проходит Ф = vSС киломолей частиц (С-молярная концентрация), то поток Ф = vSС, а плотность потока равна: J = vС.
Предположим через некую плоскость S ионы движутся в направлении X под действием электрического поля. За одну секунду каждый ион проходит расстояние 1v, м, где v . скорость перемещения иона, м/с. Отложив это расстояние влево от плоскости S, мы получим объём 1vS, в котором содержится 1vSn частиц, или 1vSС киломолей вещества. Это количество вещества и переносится за секунду через плоскость S. Таким образом, поток равен:
(7)
а плотность потока равна произведению скорости перемещения частиц на их молярную концентрацию:
(8)
Смысл этого уравнения тоже довольно прост: поток пропорционален концентрации ионов и их скорости движения в электрическом поле.
(9)
Мы получили основное уравнение элетрофореза, справедливое как для ионов, «случайно прыгающих» в мембране, так и для макроскопических тел, плавно плывущих в электрическом поле. Его смысл уж совсем очевиден: скорость движения частиц в электрическом поле пропорциональна приложенной к ней силе и величине, которую называют (электрофоретической) подвижностью.
Между электрофоретической подвижностью и коэффициентом диффузии существует прямая пропорциональность
(10)
Введение величины электрофоретической подвижности позволяет несколько упростить выражения в уравнении электрофореза:
(11)
а вместе с тем изменить форму написания основного электродиффузионного уравнения:
(12)
Это уравнение известно под названием уравнения Нернста-Планка.
Закон Фика для диффузии молекул в сплошной среде:
(13)
Сравнение этого уравнения с уравнением Фика для диффузии (13) и уравнением электрофореза (7) показывает, что суммарный поток в случае электродиффузии складывается алгебраически из диффузионного и электрофоретического потоков; иными словами,
диффузионное и электрофоретическое движение ионов происходят независимо друг от друга.
Уравнение Теорелла
Электродиффузионное уравнение показывает, что два градиента являются движущей силой потока ионов: градиент концентрации и градиент потенциала. Эти две величины: концентрация и потенциал, . являются главными составляющими энергии иона в среде, в том числе в липидной фазе мембраны, или, другими словами . составляющими электрохимического
потенциала. Из сказанного ясно, что градиент электрохимического потенциаладолжен определять величину потока ионов. Чтобы убедиться в том, что это действительно так, продифференцируем величину μ (электрохимический потенциал иона) по координате х в
(13-16)
основное уравнение электродиффузии:
(17-18)
Это уравнение Теорелла.
Его смысл достаточно ясен и интуитивно понятен: поток равен
произведению концентрации ионов, подвижности ионов и обратному градиенту электрохимического потенциала. Последнюю величину с полным основанием можно назвать движущей силой потока. В заключение добавим, что хотя мы вывели уравнеие для частного случая однородной среды, они справедливо и в том случае, если среда неоднородна, т. е.
имеется ненулевой градиент химического сродства (dμ0/dt ≠ 0).
http://helpiks.org/6-74696.html
http://poisk-ru.ru/s18296t11.html