Перенос молекул (атомов) через мембраны, уравнение Фика
Строение биологических мембран. Важнейшее условие существования клетки, нормальное функционирование биологических мембран. Мембраны – неотъемлемый компонент всех клеток. Все биологические мембраны имеют толщину от 5 до 10 нм, содержат белки липиды, соотношение между которыми варьирует в зависимости от происхождения мембраны. Кроме того, в них присутствуют углеводы, неорганические соли, вода и ряд других соединений; в некоторых мембранах обнаружены следы РНК (до 0,1%). Структурной единицей мембраны является фослолипидный бислой. Фосфолипиды – амфипатичекие молекулы, т.е. в одной молекуле имеются как гидрофильные, так и гидрофобные участки. В 1972 г. Сингер и Николсон (Singer, Nicolson) предложили жидкостно-мозаичную модель мембраны, согласно которой белковые молекулы плавают в жидком фосфолипидном бислое. Они образуют в нем как бы своеобразную мозаику, но поскольку бислой этот жидкий, то и сам мозаичный узор не жестко фиксирован; белки могут менять в нем свое положение. Покрывающая клетку тонкая мембрана напоминает пленку мыльного пузыря — она тоже все время «переливается». 2. Физич. Св-ва мембран. Подвижность фосф… По структуре мембрана относится к жидким кристаллам.На поверхностях бислоев происх.интенсивное тепловое движение. Его назыв. Латеральной диффузией. Оно можте быть представлено как последоватльность перескоков молекул из одного положения в другое. 1) Плотность липидного бислоя составляет 800 кг/м. 2) Размеры. (4-10нм) 3. Прочность – низкая. 4)Деформируемость – легко подвергается. 5)Вязкость – соответсвеует растительному маслу. 6) Мебрана-конденсатор 7) Жидко кристаллическое состояние .При переходе в гель-состояние в бислое образуются сквозные каналы, радиусом 1-3нм, по которым через ммбрану могут переноситься ионы и низкомолекулярные вещества. 3.Физические методы определения толщины мембраны. 1. Толщина мембраны Толщина мембраны контролируется в процессе ее изготовления и определяется природой самого материала и условиями изготовления мембраны. Толщину готовой мембраны измеряют специальным прецизионным микрометром. Толщина пленки, если она работает как мембрана, не влияет существенно на ее технологические свойства в баромембранных процессах при наличии анизотропии. Но она очень важна в диффузионных процессах, где анизотропии не создают. Толщина большинства пористых мембран находится в интервале 50-150 мкм. Трековые мембраны более тонкие - 50-100 мкм. Для сравнения, толщина фильтровальной бумаги Ватман № 1-180 мкм. Как правило, после эксплуатации толщина полимерной мембраны уменьшается (усадка). Это происходит из-за необратимой через некоторое время деформации структуры. При этом меняются технологические свойства мембраны, в основном падает удельная производительность. Это нужно учитывать в расчетах и научных экспериментах. Желательно заранее проводить усадку мембран выдерживанием под давлением. 4. модельные липидные мембраны… Липосомы, или фосфолипидные везикулы (пузырьки), получают обычно при набухании сухих фосфолипидов в воде или при добавлении раствора липида в воду. При этом происходит самосборка бимолекулярной липидной мембраны. Минимальному значению энергии Гиббса соответствует замкнутая сферическая форма мембраны. При этом все неполярные гидрофобные хвосты находятся внутри мембраны и ни один из них не соприкасается с полярными молекулами воды. Липосомы служат моделью для исследования различных свойств клеточных мембран. Липосомы нашли непосредственное применение в медицине. Например, можно заключить внутрь липосом лекарственный препарат и использовать как фосфолипидную микрокапсулу для доставки лекарства в определенные органы и ткани. Например, инсулин, заключенный в липосому, защищен от действия пищеварительных ферментов, поэтому этот препарат можно вводить больным диабетом перорально. Плоские бислойные липидные мембраны (БЛМ) – другой тип модельных мембран. Такие мембраны получают на маленьких отверстиях диаметром около 1 мм в пластине из пластика, погруженной в водную среду. На отверстие наносят каплю раствора липида (в спирте, хлороформе или другом растворителе). Растворитель диффундирует из раствора в воду, и на отверстии остается пленка липида. Эта пленка спонтанно утончается до тех пор, пока не образуется бимолекулярный слой толщиной около 6, 0 нм. Лишний липид собирается в виде ободка – торуса у краев отверстия. Плоские липидные мембраны, наряду с липосомами, широко используются в качестве моделей для изучения электрических свойств мембраны и их проницаемости. С помощью модельных мембран изучают их барьерную функцию или моделируют транспорт веществ. 5. Основные функции биологическ.мембр. Три основные функции биологических мембран: 1.Барьерная – обеспечивает избирательный (одни вещества переносятся через биологическую мембрану, другие нет), регулируемый (проницаемость мембраны для определенных веществ меняется), пассивный и активный обмен веществом с окружающей средой. 2. Матричная– обеспечивает взаимное расположение и ориентацию мембранных белков. 3. Механическая– обеспечивает прочность и автономность клетки, внутриклеточных структур. Кроме того биологические мембраны выполняют и др. функции: 4.Энергетическая – синтез АТФ на внутренних мембранах митохондрий и фотосинтез в мембранах хлоропластов. 5.Генерация и проведение биопотенциалов. 6.Рецепторная – обонятельная, зрительная, химическая, терморецепция.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Перенос молекул (атомов) через мембраны, уравнение Фика
|
|
|
Явления переноса - самопроизвольные необратимые процессы, в которых благодаря молекулярному движению из одной части системы в другую переносится какая-либо физическая величина.
К явлениям переноса, в частности, относятся диффузия (перенос массы) и электропроводность (перенос электрического заряда).
Диффузия в однородной среде - явление самопроизвольного переноса массы вещества из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией. Такой перенос называется пассивным транспортом. Потоком вещества (Ф) через элемент поверхности, который перпендикулярен направлению диффузии, называется количество этого вещества, переносимого через данный элемент за единицу времени.Количество переносимого вещества можно измерять в килограммах или молях (ν).
Коэффициент пропорциональности D называется коэффициентом диффузии. Знак «-» означает, что поток направлен в сторону убывания концентрации вещества (т.е. перенос происходит из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией). равнение Фика описывает диффузию в однородной среде. Модифицируем его для случая диффузии через мембрану. на границе раздела двух сред (например, воды и масла) обязательно имеет место скачкообразное изменение концентрации частиц диффундирующего вещества. Например, если в сосуд, в котором поверх воды налито масло, бросить соль, то ее концентрации в этих средах будут различны.Коэффициент распределения вещества (К) - величина, равная отношению концентраций частиц в граничащих средах.
7. перенос заряженных частиц через мембрану. Уравнение нернста планка. Перенос заряженных частиц через мембрану
Пассивный транспорт ионов.
В том случае, когда изменяется концентрация вещества и электрический потенциал, уравнения для потоков незаряженных и заряженных частиц сходны: Φ = – uc (dG/dx).
Если изменяется еще и стандартный электрохимический потенциал, то уравнение для потока вещества описывается уравнением Теорелла: Φ = – cu • (dμ/dx), где μ – электрохимический потенциал, который зависит от природы вещества и природы растворителя.
Если во всей рассматриваемой области диффузии отсутствуют химические превращения вещества и растворитель одинаков, то в этом случае уравнение Теорелла сводится к электродиффузному уравнению Нернста-Планка: Φ = –uRT (dc/dx) –cuz• Fdφ/dx. Это уравнение описывает пассивный перенос частиц в условиях существования градиентов концентрации вещества и электрического потенциала в растворе или в однородной незаряженной мембране.
Если известны концентрации ионов по обе стороны мембраны, трансмембранная разность потенциалов и коэффициент проницаемости, то величину пассивного потока ионов описывают с помощью уравнения Гольдмана: Φ ={zFΔφΡ/RT} • {[c2exp(zFΔφ/RT) -c1]/[1-exp(zFΔφ/RT]}.
Если потоки направлены противоположно, то их отношение описывается уравнением Уссинга-Теорелла: Φ2/Φ1 = c1/c2exp[- zFΔφ/RT].
Вывод: пассивный транспорт ионов может происходить только в случае наличия на мембране градиентов концентрации или электрического потенциала и описывается в общем случае уравнениями Нернста-Планка, Гольдмана или Уссинга-Теорелла. Невыполнение этих уравнений свидетельствует о том, что перенос ионов осуществляется активно или через мембранные каналы, где невозможно существование независимых ионных потоков.
Уравнение Нернста. В живом организме по обе стороны любой биологической мембраны находятся ионные растворы, причем концентрации одного и того же иона по обе стороны часто отличаются. Одной из причин установления и поддержания этих градиентов концентраций является различная проницаемость мембраны для тех или иных ионов. В этом случае градиент концентрации одного вещества может поддерживаться за счет наличия градиента концентрации другого вещества и/или разности потенциалов по обе стороны мембраны (так называемой трансмембранной разности потенциалов). Условием установления равновесия между двумя растворами, разделенными полупроницаемой мембраной, с различными концентрациями одинаковых ионов является равенство электрохимических потенциалов по одну и другую сторону мембраны. Значение разности электрических потенциалов, которая устанавливается на мембране при наличии градиента концентраций, рассчитывается с помощью уравнения Нернста: Δφ = φi - φ0 = (RT/zF)•lg (c0/ci).
8. Пассивный транспорт веществ через мембану. Разновидности.
Пассивный траспорт – перенос молекул и ионов через мембрану, который осузествляется в направлении меньшей концентрации. Идет без затраты энергии. Типы: 1) Простая диффузия через липидный слой. Она подчиняется уравнению нернста планка. В живой клетке такая диффузия обеспечивает прохождение кислорода и углекислого газа, ряда лекарственных веществ. 2) Транспорт веществ через каналы (поры). Канал - участок мембраны, включающий белковые молекулы и липиды, который образует в мембране проход. Этот проход допускает проникновение чрез мембрану молекул воды, крупных ионов. 3) Облегченная диффузия – Перенос ионов специальными молекулами переносчиками за счет диффузии переносчика вместе с веществом. 4) Эстафетная передача. В этом случае молекулы переносчики образуют временную цепочку поперек мемброаны и передают друг другу диффундиующую молекулу.
9. Активный транспорт веществ. Опыт Уссинга.
Активный транспорт – перенос молекул и ионов, который происходит с затратой химической энергии в направлении от меньших значений величин к большим. При этом нейтральные молекулы переносятся в область большей концентрации , а ионы переносятся против сил, действующих на нх со стороны электрического поля. Существование активного транспорта веществ через мембрану впервые было доказано в опытах Уссинга (1949г) на примере переноса ионов натрия через кожу лягушки. Экспериментальная камера Усиинга , заполненная нормальным раствором Рингера, была разделена на две части свежеизолированной кожи лягушки. Наблюдались потоки ионов натрия через кожу лягушки, слева направо от наружной к внутренней поверхности и справа налево – о внутренней к наружной поверхности. На коже лягушки , разделяющей раствор Рингера, возникла разность потенциалов, причем внутренняя сторона кожи имела положительный потенциал по отношению к наружному. Экспериментальные данные свидетельств. О том, что перенос ионов натрия чере кожу лягушки не подчиняется уравнению пассивного транспорта. Следовательно, имеет место активный перенос.
10. Мембранные потенциалы. Потенциал покоя.
Одна их важнейших функций биологической мембраны – генерация и передача биопотенциалов. Это явление лежит в основе мяшечного сокращения , возбудимости клеток, ргеуляции внутриклеточных процессов, работы нервной системы, всех видов рецепции. Если электрические потенциалы цитоплазмы и внеклеточной жидкости различны, то разность этих потенциалов приложна именно к мембране. Эта разность потенциалов называется трансмембранным потенциалом или просто мембранным потенциалом. Мембранные потенциалы подразделяются на потенциалы покоя и потенциалы действия. Потенциал покоя – стационарная разность электрических потенциалов, региструемая между внутренней и наружной поверхностью мембраны в невозбужденном состоянии.Потенциал покоя определяетя разной концентрацией ионов по разные стороны мембраны и диффузией ионов через мембрану.
11. Формула Нернста. Уравнение Гольдмана. Уравнение Томаса.
Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 790; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!