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

Явления переноса – самопроизвольные необратимые процессы, в которых благодаря молекулярному движению из одной части системы в другую переносится какая-либо физическая величина.

К явлениям переноса, в частности, относятся диффузия (перенос массы) и электропроводность (перенос электрического заряда).

Как синоним переноса частиц в биофизике используется термин транспорт частиц.

Основное уравнение диффузии (Уравнение Фика):

где J – плотность потока частиц, S – площадь элемента. Знак « – » показывает, что суммарная плотность потока вещества при диффузии направлена в сторону, противоположную градиенту концентрации (dc/dx).

Уравнение Фика описывает диффузию в однородной среде. Модифицируем его для случая диффузии через мембрану.

Коэффициент распределения вещества (К) – величина, равная отношению концентраций частиц в граничащих средах:

Коэффициент распределения вещества между мембраной и окружающей средой равен коэффициенту распределения вещества между мембраной и клеткой:

, где

с_i – концентрация частиц внутри клетки;

с_мi – концентрация частиц в мембране у ее внутренней поверхности;

с_мо – концентрация частиц в мембране у ее внешней поверхности;

с_о – концентрация частиц вне клетки.

Отсюда получаются выражения для концентрации частиц внутри мембраны:

Величины с_о и с можно измерить. Учитывая малую толщину мембраны (L), можно считать, что концентрация молекул диффундирующего вещества изменяется в ней линейно. Поэтому градиент концентрации диффундирующего вещества постоянен:

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.