Транспорт веществ ч/з биомембранЫЫЫЫЫ
Классификация видов транспорта:
С энергетической точки зрения различают транспорт пассивный и активный.
Пусть С1 > С2:
С1
Активный Пассивный
С2
Пассивный:
-простая диффузия
-диффузия ч/з поры
-диффузия с помощью молекул переносчиков: подвижных и неподвижных
Пассивный транспорт – это самопроизвольный процесс, не требующий затрат энергии клетки, идущий от участков с большей концентрацией, к участкам с меньшей.
Простая диффузия – обусловлена тепловым движением молекул (в неживой природе).
Диффузия – как явление переноса
Перенос – это самопроизвольный (пассивный) процесс пространственного перемещения физических величин.
Диффузия – перенос массы
Электропроводность – перенос заряда
Теплопроводность – перенос энергии
Внутреннее трение (вязкость) – перенос импульса (количества движения) P=m*υ
Уравнение диффузии
С
t
S
m
х
grad C
m~t*S*dc/dx*D
dc/dx – градиент С
Градиент характеризует быстроту изменения какой-либо величины по направлению, направлен в сторону max увеличения данной величины за единицу времени.
D – коэффициент диффузии (зависит от температуры)
Градиент – это вектор, направленный в сторону переноса
Пассивный транспорт происходт по градиенту
dc/dx<0 à m= -D*t*S*dc/dx │tS
m/tS= -D*dc/dx
Поток энергии – перенос энергии за единицу времени
Плотность энергии – перенос энергии на единицу площади
γm=m/t*S – плотность потока массы
γm= -D*dc/dx – уравнение диффузии (уравнение Фика), описывает процесс переноса массы в свободном пространстве.
Уравнение электропроводности
φ
t
S
q
х
grad φ
q~σ*t*S*dφ/dx
dφ/dx – градиент φ
σ – коэффициент электропроводности (зависит от удельного сопротивления)
σ=1/ρ – плотность тока
q= -σ*t*S*dφ/dx │tS
γq= -σ*dφ/dx – уравнение электропроводности
Уравнение пассивного транспорта молекул и зарядов ч/з биомембрану
С наруж мембр внутр
С0
-скачок концентрации
Сом
Сi
Cim x
L
C0 à COM àCi à CiM
-C0 > Ci
-Cом/C0=Cim/Ci=k
-линейчатость внутри мембраны
Как показывает опыт, на границах мембран происходят скачки концентрации.
Предположим, что внутри мембраны концентрация меняется по линейному закону
γ= -D*dc/dx
dc/dx=∆C/∆x=Cim-Cом/L=k(Ci-C0)/L
γ= -Dk/L * (Ci-C0)= -p(Ci-C0)= p(C0-Ci)= p*∆C
p=Dk/L – коэффициент проницаемости мембраны, где k=COM/C0=CiM/Ci
γ=p*∆С – уравнение пассивного транспорта ч/з мембрану
∆C=C0-Ci, если C0>Ci
∆C=Ci-C0, еслиC0< Ci
Приведенное уравнение справедливо для всех видов диффузии, но имеются некоторые особенности.
· Для диффузии ч/з поры, р зависит от общей площади пор
p=Dk/L; k=πr2*n, r – радиус пор
Для диффузии ч/з поры и простой диффузии – р=const
γ P1
P2
∆C
P1>P2
· Диффузия с помощью молекул переносчиков
Зависит от количества молекул переносчиков. Когда задействованы все молекулы-переносчики, то наступает насыщение и перенос далее не осуществляется.
γ
∆C
Уравнение пассивного транспорта ионов ч/з биомембраны
При транспорте ионов, переносятся и масса и заряд, поэтому общая плотность потока состоит:
γобщ= γm+ γq
γобщ= -D*dc/dx – σ*dφ/dx – уравнение электродиффузии Нернста-Планка
D=URT, где U – подвижность иона; R – универсальная газовая постоянная; T – абсолютная температура
σ=UCZF, где z – заряд иона; С – концентрация; F – постоянная Фарадея
Из D=URT, получаем, что U=D/RT и подставим это в σ=UCZF, получим σ=DCZF/RT.
Как показывает опыт, на мембране имеется разность потенциалов.
φ наруж внутр
φ0
φ1
L
dφ/dx=∆φ/∆x=φ1-φ0/L=φm/L
φ1-φ0=φm
γ= -D*dc/dx-DCZF/RT*φm/L
φm*ZF/RT=ψ
γ= -D*dc/dx-DC*ψ/L – ДУ 1 порядка с разделяющимися переменными
γ(+)= p*ψ*(C0-Lψ*Ci/Lψ-1), если z>0, то ψ>0
γ(-) = - p*ψ*(Ci-Lψ*C0/Lψ-1), если z<0, то ψ<0
Приведенные выше уравнения – это уравнения пассивного транспорта ионов
Характеристика состояния системы с помощью понятия градиента. Стационарное состояние. K+; Na+ - насос.
Сi
C0 мембр
-если Ci=C0, то равновесное состояние; grad C=0
-если Ci≠C0, то неравновесное состоняие; grad C≠0
Для клеток живых организмов характерно стационарное состояние, постоянство градиента основных неорганических ионов м/у внутренней и внешней средой клетки.
Стационарное состояние характеризуется:
Стационарное состояние – это характеристика во времени.
-grad C ≠0, либо grad C=0 (равновесие стационарное), но при этом grad C=const
Стационарное состояние клетки в отношении неорганических ионов обеспечивается за счет двух одновременно идущих и противоположно направленных процессов:
-пассивного транспорта (по градиенту)
-активного транспорта (против градиента)
Наружн Внутрен
grad K+ K+
Na+ grad Na+ пассивный
Стационарное состояние
K+
активный
Na+
Мембранные потенциалы. Определение. Их природа.
Мембранным потенциалом называется разность потенциалов м/у внутренней и внешней сторонами мембран.
φm=φi-φ0
Он обусловлен различной концентрацией ионов по обеим сторонам мембраны.