Permeabilitatea membranelor biologice este esențială pentru osmoregulation și menținerea stabilității compoziției celulare, homeostazia sale fizice și chimice; Acesta joacă un rol important în generarea și conducerea impulsurilor nervoase, în celulele de alimentare cu energie, mecanisme senzoriale și altele. Procese vitale. Permeabilitatea membranelor biologice datorită caracteristicilor structurale ale BM, sunt bariera osmotic între celulă și mediu, și este un exemplu tipic de unitate și relația dintre structură și funcție la nivel molecular.
Din punct de vedere al termodinamicii, potențialul de conducere al oricărui proces de egalizare este creșterea entropiei. La presiunea și temperatura constante, potențialul chimic μ joacă rolul acestui potențial. condiționarea fluxului de materie. Fluxul particulelor de materie este proporțional cu gradientul potențialului
In cele mai multe cazuri practice, în loc de potențialul chimic este aplicat concentrației C. înlocuirea directă a μ la C devine incorectă în cazul concentrațiilor mari, deoarece potențialul chimic încetează să mai fie asociat cu concentrarea asupra legii logaritmice. Dacă nu luați în considerare astfel de cazuri, atunci formulele de mai sus pot fi înlocuite cu următoarele:
care arată că densitatea de flux a substanței J [] este proporțională cu coeficientul de difuzie D [()] și cu gradientul de concentrație. Această ecuație exprimă prima lege a lui Fick. A doua lege a lui Fick corelează schimbările spațiale și temporale în concentrație (ecuația de difuzie):
Coeficientul de difuzie D depinde de temperatură. În mai multe cazuri, într-o gamă largă de temperaturi, această dependență este ecuația lui Arrhenius.
Un câmp suplimentar suprapus paralel cu gradientul potențialului chimic încalcă starea staționară. În acest caz, procesele de difuzie sunt descrise de ecuația neliniară Fokker-Planck. Procesele de difuzie au o mare importanță în natură:
· Nutriție, respirație a animalelor și plantelor;
· Pătrunderea oxigenului din sânge în țesuturile umane.
6.6 Difuzia particulelor încărcate electric printr-o membrană.
Gradientul electrochimic.
Electrodifuzia este difuzia particulelor (ionilor) încărcate electric sub influența concentrațiilor și gradientilor electrici. Ioni sunt atomi sau grupuri de atomi care dobândesc o sarcină electrică, pierzând sau dobândind electroni. Bilatera lipidică a membranei este impermeabilă la ioni. Ele pot penetra membrana plasmatică numai prin structuri speciale - canale de ioni, care sunt formate din proteine integrale.
Forța motrice a difuziei nu este numai diferența în concentrația ionilor din interiorul și exteriorul celulei, ci și diferența în potențialele electrice create de acești ioni de ambele părți ale membranei. În consecință, fluxul de difuziune al ionilor este determinat de gradientul potențialului electrochimic (gradient electrochimic).
Potențialul electrochimic este energia ionică:
# 956; 0 - potențial chimic standard care depinde de natura chimică a substanței și a temperaturii, R - constanta universală a gazelor, T - temperatura, C - ion de concentrare, z - electric de încărcare, F - lui Faraday constantă, # 966; este potențialul electric.
Dependența fluxului ionic J de gradientul electrochimic este determinată de teorema ecuației:
unde U - mobilitatea ionilor, concentrația de ioni C, d # 956; / dx - gradientul electrochimic.
Înlocuind (6) în (7), putem obține ecuația Nernst-Planck cu alocație pentru două gradienți care determină difuzia ionilor:
Canalele ionice ale membranei sunt proteine integrale din membrană care formează găuri în membrana umplută cu apă. O serie de canale de ioni au fost găsite în membrana plasmatică, care se caracterizează prin specificitate ridicată, permițând mișcarea unui singur tip de ioni. Există canale de sodiu, potasiu, calciu și clorură. Fiecare dintre ele are un așa-zis filtru selectiv, capabil să transmită numai anumite ioni. Există mai multe teorii care explică selectivitatea canalelor ionice ale membranei plasmatice.
Permeabilitatea canalelor ionice poate varia datorită prezenței porților, anumitor grupuri de atomi în compoziția proteinelor care formează canalul. Modificările conforme în poarta traduc canalul de la deschis la închis și invers. Mecanismele de reglare a poziției porții pot diferi în diferite canale. Unele dintre ele se deschid cu modificări ale potențialului electric al membranei. Altele se deschid sub influența unor substanțe chimice specifice care efectuează funcții de semnalizare.
Gradientul electrochimic (DmX, ecuația 2-3). Transport pasivă a încărcat solut X depinde de diferența de concentrație a substanței în celulă ([X] B) și exterior (exterior) celula ([X] C) și diferența de potențial electric este (YC) și intracelulară (YV). Cu alte cuvinte, dmx ia în calcul contribuția ca gradientul concentrației substanței (diferență de potențial chimic), iar contribuția potențialului electric pe ambele părți ale membranei (diferența de potențial electric).
diferența de energie electrică (mV)
unde: zX este valența substanței X,
T este temperatura absolută,
R este constanta gazului,
F este constanta lui Faraday.
Astfel, gradientul electrochimic este forța motrice a transportului pasiv de electroliți - diferența în potențialul electrochimic (DmX) de ambele părți ale membranei biologice.
6.7. (1) Debitul de materie prin membrană în prezența gradientilor osmotici și electrici. Ecuația Nernst-Plank.
Pe membrană există o diferență de potențial, prin urmare există un câmp electric în membrană. Aceasta afectează difuzia particulelor încărcate (ioni și electroni). Între puterea câmpului și gradientul potențialului, există o relație cunoscută
În general, transferul de ioni este determinat de doi factori: inegalitatea distribuției lor, adică gradient de concentrare și interacțiune a unui câmp electric
- Nernst - Plank ecuația.
F - numărul Faraday, valența Z - ion, T - temperatura absolută, R - constanta gazului, - potențialul electric pe membrană.
Această ecuație descrie procesul de propagare a ionilor în câmpul potențialului electrochimic și se folosește pentru a stabili dependența densității fluxului difuz pe concentrația de ioni și pe tensiunea câmpului electric.
Fluxul de materie prin membrană în prezența gradientelor osatice și electrice. Ecuația Nerist-Planck
Osmoza (din limba greacă. # 8004; # 963; # 956; # 959; # 962; - presiune) - procesul de difuzie unidirecțională prin membrana semipermeabilă a moleculelor de solvent spre o concentrație mai mare de substanță dizolvată (concentrație mai mică a solventului).
Osmoza joacă un rol important în multe procese biologice. Membrana care înconjoară celula normală din sânge este permeabilă numai la moleculele de apă, oxigen, unele dintre substanțele nutritive dizolvate în sânge și în produsele celulare; pentru moleculele de proteine mari care se află într-o stare dizolvată în interiorul celulei, este impenetrabilă. Prin urmare, proteinele, atât de importante pentru procesele biologice, rămân în interiorul celulei.
Osmoza este implicată în transferul nutrienților în trunchiurile de arbori înalți, unde transportul capilar este incapabil să îndeplinească această funcție.
Osmoza este utilizată pe scară largă în tehnologia de laborator: pentru determinarea caracteristicilor molare ale polimerilor, concentrarea soluțiilor, studierea unei varietăți de structuri biologice. Fenomenele osmotice sunt uneori utilizate în industrie, de exemplu, în producția de anumite materiale polimerice, purificarea apei extrem de mineralizate prin osmoză inversă a lichidelor.
Celulele de plante utilizează osmoză și pentru creșterea volumului vacuolului, astfel încât să se deschidă pereții celulari (presiunea turgorului). Celulele de plante fac acest lucru prin depozitarea zaharozei. Prin creșterea sau scăderea concentrației de zaharoză în citoplasmă, celulele pot regla osmoza. Datorită acestui fapt, crește elasticitatea plantei în ansamblu. Cu schimbări în presiunea turgorului, sunt asociate multe mișcări ale plantelor (de exemplu, mișcarea mustaței de mazăre și alte plante de alpinism). Protocoalele de apă proaspătă au, de asemenea, un vacuol, dar sarcina vacuolelor de protozoane este doar de a pompa excesul de apă din citoplasmă pentru a menține o concentrație constantă de substanțe dizolvate în ea.
Osmoza joacă, de asemenea, un rol important în ecologia corpurilor de apă. Dacă concentrația de sare și a altor substanțe din apă crește sau scade, locuitorii acestor ape vor muri din cauza efectelor nocive ale osmozelor.
Legea distribuției Nernst
6.8.Transportul pasiv al materiei prin membrane. Tipuri de transport pasiv.
Transportul pasiv este transferul materiei din locuri cu o valoare mare a potențialului electrochimic în locuri cu o valoare mai mică. Transportul pasiv are o scădere a energiei Gibbs și, prin urmare, acest proces poate continua spontan și fără cheltuieli energetice. Transportul pasiv nu depinde de energia furnizată de ATP. Se bazează pe diferența dintre concentrații și încărcări și întotdeauna tinde să egaleze concentrațiile de particule pe diferite laturi ale membranei, adică să reducă gradienții lor la zero.
Tipuri de transport pasiv:
1) Transportul substanțelor prin bariera lipidică (difuzie simplă)
2) Transportul substanțelor prin canale de membrană
3) Transportul substanțelor prin intermediul proteinelor speciale de transport (difuzie de lumină)
Simpla difuzie are loc fără participarea proteinei membranare datorită proceselor termice - difuzia termică și fizică, direct prin bilayerul lipidic. Gazele, moleculele polare nepolarizate sau mici, neacoperite, trec ușor prin ele.
Difuzia apei prin membrane se numește osmoză. Apa, pătrunde foarte repede prin bilayerul lipidic. Acest lucru se datorează faptului că molecula sa este mică și neutră din punct de vedere electric.
Difuzia prin canalele de membrană. molecule si ionii (Na +, K +, Ca2 +, Cl-) nu sunt în măsură să treacă prin bistratul lipidic prin simpla difuzie, cu toate acestea, ele pătrund prin membrană datorită prezenței proteinelor în ea specifice care formează canale diferite.
Difuzia de lumină - transportul de substanțe cu ajutorul proteinelor speciale de transport, fiecare dintre acestea fiind responsabil de transportul anumitor molecule
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: