Лекция №2. Классификация процессов транспорта в биологических мембранах План лекции Классификация транспорта через бм



Скачать 182.35 Kb.
Дата10.10.2017
Размер182.35 Kb.
ТипЛекция


Лекция №2. Классификация процессов транспорта

в

биологических мембранах

План лекции

  1. Классификация транспорта через БМ

  2. Уравнение Теорелла. Уравнение Нернста-Планка. Закон Фика.

Коэффициент проницаемости

  1. Ионная проницаемость биомембраны


Классификация транспорта через БМ
Мембрана клетки является избирательным барьером для различных веществ, находящихся внутри и снаружи клетки. Существует несколько специфических механизмов транспорта в мембранах. Все он могут быть подразделены на два типа: пассивный и активный транспорт (Рис.1).

Все виды пассивного транспорта основаны на принципе диффузии. Небольшая частица, растворённая в жидкости, постоянно подвергается ударам со стороны окружающих её молекул жидкости. Результатом этого является хаотическое движение частицы, которое называется броуновским движением. Диффузия является результатом хаотических независимых движений многих частиц. Если концентрация вещества одинакова в каждой части раствора, то движение частиц хаотично. При этом существует дрейф частиц из областей, где они расположены более плотно, в области, где частиц меньше. Диффузия является пассивным транспортом, поскольку не требует затрат внешней энергии.

Для классификации и описания типов переноса вещества вводится понятие электрохимического потенциала. Термодинамический потенциал1, представляющий собой свободную энергию2 одного моля вещества, принято называть электрохимическим потенциалом.

Для разбавленных растворов концентрации С, помещенных во внешнее электрическое поле, электрохимический потенциал равен:



, (1),

где – стандартный химический потенциал, величина, постоянная для данного вещества, равная xимическому потенциалу этого вещества в одномолярном растворе, R = 8,31 - универсальная газовая постоянная, Т [К] – температура, F= 96500 Кл/моль – число Фарадея, z - заряд иона электролита (в элементарных единицах заряда), φ[В] - потенциал электрического поля.

Можно сказать, что электрохимический потенциал – величина, численно равная энергии Гиббса G (свободной энергии) на один моль данного вещества, помещенного в электрическое поле.

Транспорт веществ через биологическую мембрану

Пассивный транспорт – это перенос вещества от мест с большим значением электрохимического потенциала к местам с меньшим электрохимическим потенциалом:

Активный транспорт – это перенос вещества от мест с меньшим значением электрохимического потенциала к местам с большим электрохимическим потенциалом:



  • Самопроизвольно

  • Без затрат энергии

  • ΔG<0

  • С затратами энергии

  • АТФ→АДФ

  • ΔG>0

картинки по запросу камень катится с горки

Рис. 1. Пассивный и активный транспорт веществ

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

Активный транспорт – это процесс, сопровождающийся ростом энергии Гиббса, он не может идти самопроизвольно, а только в сопряжении с процессом гидролиза АТФ, то есть за счет затраты энергии Гиббса, запасенной в макроэргических связях АТФ.
Уравнение Теорелла. Уравнение Нернста-Планка. Закон Фика.

Коэффициент проницаемости
Плотность потока вещества (количество вещества, перенесённого за единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной потоку вещества, .) при пассивном транспорте подчиняется уравнению Теорелла:

(2)

где U – подвижность частиц, C – концентрация, а - градиент

электрохимического потенциала – изменение электрохимического потенциала на единицу расстояния. Знак минус показывает, что перенос происходит в сторону убывания электрохимического потенциала.

Подставив в (2) выражение для электрохимического потенциала, получим для разбавленных растворов уравнение Нернста-Планка – уравнение электродиффузии, т.е. диффузии для заряженных частиц:


(3)

Из уравнения следует. что могут быть две причины переноса веществ при пассивном транспорте: градиент концентрации – изменение концентрации на единицу расстояния , или градиент электрического потенциала – изменение потенциала электрического поля на единицу расстояния .

В отдельных случаях, вследствие сопряжения этих двух причин, может происходить пассивный перенос вещества от мест с меньшей концентрацией к местам с большей концентрацией, если

| > uRT ( < 0, > 0).

Возможен перенос положительно заряженных ионов от мест с меньшим к местам с большим потенциалом электрического поля и отрицательных от мест с меньшим к местам с большим потенциалом, если

|uRT > ( < 0, > 0).

В случае диффузии незаряженных частиц ( z = 0) или в отсутствии электрического поля ( = 0), уравнение Нернста - Планка переходит в уравнение закона Фика:

Jm = - D, (4)

где D = URT - коэффициент диффузии, который зависит от природы вещества и температуры.



Закон Фика указывает, что поток вещества, перемещаемого путём диффузии, пропорционален движущей силе диффузии - градиенту концентрации вещества

J ~ dC/dx (5).

Отрицательный знак означает, что поток направлен из области высокой концентрации вещества в область с более его низкой концентрацией, в результате чего градиент концентрации уменьшается.

Таким образом, простая диффузия – это самопроизвольный перенос вещества из мест с большей концентрацией в места с меньшей концентрацией вследствие хаотического теплового движения молекул.

Если диффузия осуществляется через мембрану, уравнение (4) может быть представлено как



J = -P(C1 - C2) (5),

где C1 и C2 - концентрация раствора внутри и вне клетки, P - коэффициент проницаемости мембраны для данного вещества. Коэффициент проницаемости определяется коэффициентом диффузии D вещества, толщиной мембраны d и коэффициентом распределения вещества K, зависящим от растворимости вещества в органических растворителях, но не воде.



P=Dk/d (6),

Где k - коэффициент распределения, который показывает, какую часть концентрации у поверхности вне мембраны составляет концентрация у поверхности мембраны, но внутри неё (Рис. 2 )




Рис. 2. Схема простой диффузии через липидный бислой мембраны.
Проницаемость мембраны для неэлектролитов существенно зависит от их способности растворяться в билипидном слое мембраны. Проницаемость мембраны для различных веществ определяют по растворимости в оливковом масле, которую можно рассматривать как модель мембранных липидов. Таким образом, мембрана хорошо проницаема для липидорастворимых веществ (спирты, эфиры), не имеющих биологического значения. Но такие гидрофильные вещества как сахара, аминокислоты не способны проникать через биологическую мембрану посредством свободной диффузии. Проницаемость мембраны зависит также от размера молекул. Мелкие молекулы могут проникать через мембрану путём свободной диффузии. Например, вода не растворима в липидах и органических растворителях. Но она проникает через плазматическую мембрану благодаря небольшому размеру молекул. Проницаемость мембраны для воды очень высокая. Предполагают, что она проникает в мембрану через временные структурные дефекты, формирующихся при тепловых колебаниях хвостиков из жирных кислот. Эти дефекты (кинки) позволяют перемещаться через мембрану не только молекулам воды, но также другим небольшим гидрофильным молекулам (кислород, углекислый газ).

Ионная проницаемость биомембраны

В состоянии покоя клеточная мембрана практически проницаема только для ионов калия. При возбуждении на очень короткое (у нервных клеток - порядка 10-3с) мембрана становится проницаемой также для некоторых других ионов (нервные клетки и клетки скелетных мышц начинают пропускать внутрь себя ионы натрия, клетки сердца – ионы натрия и кальция). Такое поведение мембраны объясняется наличием в ней огромного числа (от 10 до 500 штук на 10-6 мм2) каналов, для пропускания различных видов ионов, например, каливые и натривые каналы. Различная проницаемость мембраны для этих ионов связана с их способностью по-разному притягивать к себе молекулы воды: один ион натрия притягивает 5 молекул воды, а калия – только 3. Поэтому диаметр иона калия вместе с «одеждой» из молекул воды оказывается меньше соответствующего диаметра натрия.



Список литературы

  1. В.Ф. Антонов, Е.К. Козлова, А.М. Черныш Физика и биофизика. – М.: «ГЭОТАР-Медиа», 2015.

  2. В.Н. Федорова, Е.В. Фаустов Медицинская и биологическая физика. – М.: «ГЭОТАР-Медиа», 2009.

  3. С.А. Вознесенский Физика и биофизика. Stanuprofi.ru

  1. В.Г. Лещенко, Г.К. Ильич Медицинская и биологическая физика. – М.: «ИНФРА-М», 2012.

  2. К. Ю. Богданов. Физик в гостях у биолога. М.: «Издательство МЦМО», 2015.




1 характеризует способность физико-химической системы к совершению полезной работы и определяется функцией состояния системы, которая называется свободной энергией

2 аналог потенциальной энергии

Каталог: phys
phys -> Темы рефератов по патофизиологии
phys -> «Патологии» для студентов 3 курса медицинского факультета специальности
phys -> Лабораторная работа №30 определение основных характеристик электрического
phys -> Тематический план лекций на весенний семестр 2012-2013 уч г. Учебная дисциплина – Физиология Направление подготовки – 060601 «Медицинская биохимия»
phys -> Законы гемодинамики. 01. 02 Ср. 2 Микроциркуляция. 08. 02 Ср
phys -> Тесты по разделу физиология нервной системы общая физиология нервной системы
phys -> Перечень практических умений по «физиологии цнс»
phys -> Экзаменационные вопросы для подготовки к экзамену по дисциплине «Физиология c основами анатомии»
phys -> Морфофункциональная организация основной обонятельной системы грызунов


Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©zodorov.ru 2017
обратиться к администрации

    Главная страница