Активне транспортування

Пасивне транспортування речовин здійснюється у напрямі зменшення електрохімічного градієнта, що веде до вирівнювання нерівномірності у розподілі речовин між клітиною і середовищем. Проте, вміст клітини відрізняється за складом від оточуючого її середовища. Нерівномірний пояснити лише пасивним транспортуванням. Перенесення молекул, іонів здійснюється за рахунок енергії метаболічних процесів і його називають активним транспортом. Клітина виконує концентраційну або осмотичну роботу:

Ця робота виконується клітиною по накопиченню нею речовин, яких мало в середовищі, а з другого боку – виведення в середовище речовин, які у ньому є у великих концентраціях. Якщо через мембрану переносяться іони, то виконується робота і проти сил дифузії. І проти сил електричного поля поляризованої мембрани. Тоді загальна робота клітини визначається:

,

де F — стала Фарадея, m - кількість перенесених іонів, n валентність іонів, (φ₁- φ ₂)— різниця потенціалів між поверхнями мембрани. Знак (+) або (–) ставиться у рівнянні в залежності від знаку іонів, що переносяться.

Механізм активного транспортування пояснює існування спеціальних ферментів – переносників, які захоплюють молекули речовини і переносять їх по іншу сторону клітинної мембрани. Ці переносники називаються транспортними АТФ- фазами. Важлива роль належить іонам К⁺ і Na⁺, які зумовлюють генерацію біопотенціалів, проведення збудження.

Перенесення 2К⁺ всередині клітини виведення 3Na⁺ назовні приводить до перенесення одного додатного заряду з цитоплазми клітини в середовище, що зумовлює виникнення мембранного потенціалу. Отже, натрій-калієва помпа електрогенна. Робота, яку необхідно виконати при перенесенні іонів Na⁺ і К⁺ за функціонування фермента-переносника, залежить від мембранного потенціалу та від градієнта концентрацій Na і К на мембрані і дорівнює:

Активне транспортування ділиться на транспортування іонів та органічних речовин (цукрів, амінокислот). До активного транспортування слід поверхні оточуючої рідини з розчиненими у ній речовинами. Слід зазначити, що пасивне транспортування відбувається за градієнтами, (протиградієнтний процес), але цей процес спряжений з градієнтним процесом – гідролізом АТФ.

Сумарний процес у живому організмі є градієнтним, що зумовлює зменшення вільної енергії та зростання ентропії'. Зменшення вільної енергії компенсується її поповненням з оточуючого середовища, що забезпечує життєдіяльність організму.

Види потенціалів

Електричні імпульси виникають під час функціонування нервової, м'язової, залозевої тканин і відображають фізіологічні та патологічні процеси, що виникають у живому організмі. Вони можуть бути локалізовані у певній частині організму або можуть передаватись у вигляді електричних сигналів від однієї частини тіла до іншої.

Електрична активність це властивість живої матерії, тому вивчення електричних явищ у живих об'єктах займає важливе місце у біофізиці.

Біопотенціали зумовлені потенціалами, що переважно виникають внаслідок нерівномірного розподілу іонів. Такими потенціалами ‘ дифузійні, мембранні та фазові.

Дифузійні потенціали виникають на межі двох середовищ з різною рухливістю іонів або на межі двох розчинів одного і того ж електроліту з різною концентрацією.

Якщо у посудину, що містить концентрований розчин ZnSO₄. Обережно налити слабкий розчин тієї ж солі, то іони Ζn²⁺ та SO₄^2- почнуть дифундувати через межу розподілу і переносити електричні заряди. Однак, швидкість дифузії іонів буде різною:

Маса іонів цинку менша, ніж маса іона SO₄^2- тому іони цинку випереджають іони кислотного залишку при їх дифузії через межу як при русі вгору, так і при русі вниз. Але концентрація нижнього розчину більша, і в цілому знизу вгору буде перенесено більше іонів цинку, а на межі розділу виникає подвійний електричний шар, додатна сторона якого обернена у сторону менш концентрованого розчину. Між двома цими розчинами виникає дифузійна різниця потенціалів:

U і V відповідають рухливостям катіонів і аніонів, а С₁ і С₂ – концентраціям розчинів.

Якщо ці два розчини розділені між собою мембраною, тобто пористою перегородкою, проникною лише для іонів одного виду, то ці біопотенціали називають мембранними. Причиною цього може бути різниця у діаметрах іонів, внаслідок чого великі іони не пройдуть через пори мембрани, Можливе також електричне відштовхування іонів одного знаку зарядженими кінцями дипольних молекул, що розміщені на поверхні мембран. Якщо, наприклад, мембрана не пропускає аніони, то рухливості їх у процесі дифузії можна вважати рівними нулю і тоді:

У цьому випадку рівняння для мембранного потенціалу буде:

- рівняння Нернста.

Мембранні потенціали можуть бути досить великими (50 — 55 мВ). Згідно з сучасними уявленнями потенціали спокою, пошкодження, дії є за природою мембранними потенціалами.

Фазові потенціали виникають на межі двох фаз. які не змішуються. Такі потенціали виникають у клітинах на межі розділу різних фаз (компартментів). За величиною вони незначні і визначаються теж за формулою Нернста.