29. Перенос частиц через мембраны. Уравнение Фика. Применение уравнения Фика к биологической мембране. Уравнение Нернста-Планка.

Важной характеристикой мембран является их способность пропускать или не пропускать молекулы, атомы и ионы. Эти вопросы относятся к явлениям переноса.

Рассмотрим наиболее важные для биологических мембран явления: перенос вещества (диффузию) и перенос заряда (электропроводность).В биофизике также используется термин «транспорт частиц» Основное уравнение диффузии имеет вид:

Это уравнение Фика :I- плотность потока частиц ,D- коэффицент диффузии D=___ __________,σ- среднее расстояние между молекулами, m-масса молекулы, n-концентрация молекул ,с=m*n-массовая концентрация, τ - среднее время оседлой жизни молекулы

Применим уравнение Фика к биологической мембране.

Пусть концентрация частиц, диффундирующих через мембрану, изменяется в мембране линейно

Тогда :

l - толщина мембраны, с_i-концентрация частиц внутри клетки, с₀- снаружи клетки, с_mi - концентрация частиц на внутренней части мембраны, c_mo- на наружной части. Отсюда

Практически легче определять концентрации частиц не внутри мембраны (c_mi и c_mo) , а вне мембраны: в клетке (с_i) и снаружи клетки (c_o). Предположим, что

где k -коэффициент распределения частиц между мембраной и окружающей средой. Тогда c_mo = kc_o, c_mi = kc_i и имеем

отсюда:

следовательно:

P=Dk/l-- коэффициент проницаемости

На мембране существует разность потенциалов, следовательно, в мембране имеется электрическое поле, которое влияет на диффузию заряженных частиц (ионов и электронов). Плотность потока заряда дается выражением

где φ - потенциал поля, F = eN_A -постоянная Фарадея, Z -валентность, U_m - подвижность диффундирующих частиц для одного моля.

В общем случае перенос ионов зависит от неравномерности их распределения и воздействия электрического поля. Суммарная плотность потока частиц определяется уравнением Нернста-Планка

30. Пассивный транспорт и его основные виды. Понятие об активном транспорте.

Различают два вида транспорта веществ через мембраны.

Пассивный транспорт имеет следующие разновидности:

1. Простая диффузия;

2. Диффузия через канал;

3. Облегчённая диффузия (осуществляется молекулами-переносчиками).

Пассивный транспорт не связан с затратой химической энергии, он происходит в результате перемещения частиц в сторону меньшего электрохимического потенциала.

Простая диффузия через липидный слой подчиняется в общем случае уравнению Нернста-Планка. Она происходит медленно и не может снабдить клетки в нужном количестве питательными веществами.

Перенос вещества через каналы происходит без затраты энергии и направлен в сторону уменьшения концентрации молекул. Каналы, образованные интегральными белками, проявляют избирательность к разным ионам. Такая селективность канала к различным ионам определяется его формой и размерами, а также электростатическими свойствами аминокислот, выстилающих поверхность канала.

Процесс облегченной диффузии также происходит без затраты энергии, направлен в сторону уменьшения концентрации молекул и протекает следующим образом: молекула переносимого вещества связывается со специальной молекулой-переносчиком в единый комплекс, который легко проходит через мембрану, а на другой ее стороне распадается, отщепляя переносимую молекулу.

При активном транспорте перенос вещества происходит в сторону больше концентрации. Этот процесс не является диффузией и протекает за счёт затраты энергии. Самой распространённой системой активного транспорта является натрий-калиевый насос. Натрий-калиевые насосы работают за счёт энергии гидролиза молекул АТФ с образованием молекул АДФ и неорганического фосфора Ф:

АТФ = АДФ + Ф.

Натрий-калиевый насос работает обратимо:крадиенты концентрации ионов К⁺ и Na^- способствуют синтезу молекул АТФ :

АДФ+Ф=АТФ