ЛЕКЦИЯ 3 Медицинская биофизика ОМ

Карагандинская государственная медицинская академия

КАФЕДРА – МЕДИЦИНСКОЙ БИОФИЗИКИ И ИНФОРМАТИКИ

Лекция Транспорт ионов. Ионный транспорт веществ в каналах. Активный транспорт через биологические мембраны

ПО ООD 012 МВ 1112 - МЕДИЦИНСКОЙ БИОФИЗИКЕ

ДЛЯ СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ: 051301 – «ОБЩАЯ МЕДИЦИНА»

051302 – «СТОМАТОЛОГИЯ

КУРС – 1

Продолжительность 50 минут

Составитель:

доцент, к.б.н.

____________ И.М. Риклефс

Караганда 2007 г.

Утверждена на заседании кафедры

Протокол №_____

от "____"__________200___г

Зав.кафедрой доцент ______________ Б.К. Койчубеков

Цель лекции: Обсудить роль транспорта электролитов через мембраны в поддержании жизнедеятельности клеток. Определить биофизические закономерности активного переноса вещества через мембрану.

ПЛАН

4. ИОННЫЕ КАНАЛЫ.

5.АКТИВНЫЙ ТРАНСПОРТ ЧЕРЕЗ БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАН НАТРИЙ-КАЛИЕВЫЙ НАСОС

Транспорт веществ через клеточные мембраны чаще всего осуществляется благодаря термодинамическому сопряжению разнообразных процессов. Только в тех случаях, когда молекулы транспортируемого вещества не имеют заряда, химически и осмотически инертны, процесс переноса сводится к простой диффузии и подчиняется уравнению Фика. Практически такими свойствами обладают в организме только азот и инертные газы; очень приблизительно — кислород и углекислый газ. Во всех остальных случаях (при транспорте воды, солей, углеводов, жирных кислот, пептидов и других веществ) вместе с концентрационным градиентом действуют и другие. Например, при транспорте многих ионов идут, по меньшей мере, два процесса: диффузия вещества и перенос заряда, а значит, взаимодействуют концентрационный и электрический градиенты.

1.Транспорт ионов. Электродиффузная теория транспорта ионов через мембраны.

Основная количественная характеристика, используемая при описании переноса ионов или незаряженных молекул (неэлектролитов) через мембраны - это поток. Поток частиц n (моль/с) через площадь S измеряется числом частиц, которые пересекают эту площадь (например, мембрану клетки) за секунду. Поток вещества  измеряют не в числе частиц, а в числе киломолей данного вещества (или киломолей данных ионов). Плотность потока (J, моль/с/м2) - это количество вещества (в киломолях), переносимого за секунду через единицу площади, расположенной нормально к направлению потока.

Положительным считается направление потока из замкнутого контура наружу. Таким образом, поток из клетки в окружающую среду имеет знак +, а поток в клетку имеет знак - (слайд 1).

Направление переноса ионов. Движущая сила потока.

В электродиффузной модели мембрану рассматривают как непрерывную гомогенную среду, в которой происходит диффузия точечных невзаимодействующих частиц. Суммарный поток произвольного вида ионов j, движущихся пассивно и независимо в такой гомогенной среде в направлении оси x, пропорционален концентрации ионов, их подвижности и действующей на ион силе.

Общее транспортное уравнение имеет вид:

поток = концентрация  движущая сила  подвижность [1]

Величина J зависит от концентраций переносимых частиц по сторонам мембраны C₁ и C₂, а в случае ионов - также и от разности потенциалов между водными фазами, омывающими мембрану ₁ и ₂:

[2]

В конечном счете, эти две характеристики (потенциал и концентрация) влияют на поток потому, что от них зависит энергия ионов (молекул) в данном растворе. Энергия моля ионов данного вида в среде носит, как известно, название электрохимического потенциала иона и равна:

[3]

где: R - газовая постоянная, T - абсолютная температура, С - молярная концентрация, z - безразмерный заряд иона, F - число Фарадея, потенциал в данной области среды. Величина ₀ (химическое сродство) определяется энергией взаимодействия иона с молекулами среды.

В отсутствие различия концентраций по сторонам мембраны неэлектролиты через мембрану не переносятся, но ионы могут переноситься под влиянием электрического поля; это явление, как известно, называется электрофорезом. В общем случае электрофорез и диффузия сочетаются и говорят об электродиффузии ионов через мембраны.

Таким образом, поток J ионов j, концентрация которых в плоскости x равна с, а подвижность u равна:

[4]

где:  - электрохимический потенциал

но

где:  - электрический потенциал, z – валентность, Т - абсолютная температура в КR - газовая постоянная, равна - 8,31 Джмоль^-1 К^-1F - число Фарадея (9,6510⁴ Кл/моль)

где: – работа по преодолению сил химического взаимодействия, и – работа по переносу зарядов в электрическом поле.

Подставляя значение  и беря производную получим следующее выражение для потока:

[5]

Полученное уравнение носит название уравнение электродиффузии или уравнение Нернста-Планка и описывает диффузию ионов в растворе или гомогенной незаряженной мембране.

Первый член в правой части уравнения описывает свободную диффузию (диффузионная компонента общего потока), второй выражает миграцию ионов в электрическом поле.

Концентрации ионов (C₁ и C₂) на краях в фазе самой мембраны пропорциональны соответственно концентрациям в наружном и внутреннем омывающих растворах (C₀ и C_i):

[6]

Тогда уравнение для пассивного потока через мембрану примет вид

[7]

где – коэффициент проницаемости. Выражение [12] известно как уравнение Гольдмана в приближении постоянного поля ( ).