fizicheskij_praktikum_zubkov

используется в терапии, например, действие некоторых сильных слабительных основано на создании в желудочном тракте повышенной концентрации растворенного вещества и осмоса в него воды.

Клетки животных и растений содержат растворы солей и других осмотически активных веществ(для которых проницаемость биологической мембраны меньше, чем для воды).

Если клетку поместить вгипотонический раствор, то объем клетки увеличится за счет осмоса воды в клетку.

Вгипертоническом растворе объем клетки уменьшается вследствие осмоса воды из клетки.

Визотоническом растворе объем клетки не меняется, так как не происходит осмоса.

Помещая клетки в растворы различных веществ(гипертонические или гипотонические по отношению к внутриклеточной жидкости), по изменению размеров клетки можно сделать вывод о непроницаемости или проницаемости мембраны для растворенного вещества и для воды. Если наблюдается осмотический эффект, мембрана непроницаема (или плохо

проницаема) для растворенного вещества и хорошо проницаема для растворителя.

17.1.5.Осмотический гемолиз

17.1.6. Турбидиметрия

Турбидиметрия и нефелометрия – методы, основанные на изучении рассеяния света при прохождении его через исследуемую дисперсную среду (рис. 17.4).

191

Рис. 17.4. Рассеяние света

при прохождении через дисперсную среду

17.1.7. Пассивный и активный транспорт

Перенос массы вещества, или диффузия, является основным механизмом пассивного транспорта. Диффузия – самопроизвольный процесс проникновения вещества из области большей в область меньшей его концентрации в результате теплового хаотического движения молекул.

192

Процесс диффузии количественно описан Фиком. Первый закон Фика отражает факт, что плотность потока вещества Ф в направлении оси х пропорциональна градиенту концентрации:

вещества через тонкую мембрану(т.е. при наличии установившегося потока частиц через некоторую проницаемую перегородку, разделяющую две области раствора с различными концентрациями) традиционно для описания процесса диффузии используется уравнение:

где l – толщина мембраны, К – коэффициент распределения диффундирующего вещества между мембраной и водной фазой, равный отношению концентрации вещества внутри мембраныС (вблизи ее поверхности, но с внутренней стороны мембраны) и концентрации С вещества в омывающем мембрану растворе (индексы 1 и 2 приписываются разным сторонам мембраны):

193

Уравнение (17.7) описывает изменение концентрации вещества в растворе в результате диффузии в зависимости от координаты х и времени t.

Более общий случай пассивного транспорта – частиц электродиффузия ионов, при которой происходит перенос вещества и перенос заряда. Движущей силой электродиффузии служит разность электрохимических потенциалов данного вещества в двух областях, между которыми происходит диффузия ионов, или градиент электрохимического потенциала.

Электрохимический потенциал равен:

где m0 – стандартный химический потенциал, характеризующий сродство иона к растворителю; R – универсальная газовая постоянная; Т – абсолютная температура; z – валентность, или заряд иона в единицах элементарного заряда; F – заряд моля одновалентных ионов(число Фарадея); j – электрический потенциал.

В целом электрохимический потенциал является мерой работы, необходимой для синтеза1 моля вещества из исходных компонентов и помещения его в данный растворитель(m0) для создания концентрации С этого вещества в растворе (RTlnC) и переноса зарядов из бесконечности в электрическое поле раствора(zFj). Изменение электрохимического потенциала ( Dm ), равное

194

отражает изменение химической, осмотической и электрической энергии биосистемы (первое, второе и третье слагаемые, соответственно) при переходе из состояния 1 в состояние 2 по другую сторону мембраны.

Плотность потока энергии определяется уравнением Теорелла:

где u – подвижность ионов (u характеризует скорость движения частиц под действием внешней силы), dm / dx – градиент электрохимического потенциала, С – молярная концентрация частиц в растворе (кмоль/м3). Знак «минус» указывает на то, что поток направлен в сторону убывания m.

Учитывая, что при электродиффузии ионов через мембрану не изменяется их химическое сродство к окружающей среде(растворителю),

Первый член в правой части уравнения (17.11) описывает свободную диффузию (первый закон Фика, если считать, что u = D/(RT)), второй выражает миграцию ионов в электрическом поле.

17.1.8. Виды диффузии

Существует несколько возможных механизмов пассивного переноса веществ (включая ионы) через биомембраны (рис. 17.5):

• простая диффузия через липидный слойобеспечивает прохождение кислорода и углекислого газа, ряда лекарственных веществ и ядов.

образует растворимый в липиде комплекс и проходит через мембрану), а

195

также за счет эстафетной передачи вещества от одного фиксированного в мембране переносчика к другому.

Рис. 17.5. Перенос веществ через биомембраны:

а) простая диффузия; б) перенос через канал; в) облегченная диффузия

В последнем случае(облегченная диффузия) по мере заполнения

диффундирующего вещества на противоположной стороне мембраны, захватывает другую молекулу этого же вещества и возвращается обратно. Такой механизм переноса обеспечивает неизменность концентраций диффундирующего вещества по обе стороны мембраны.

Все эти виды пассивного переноса веществ описываются общим уравнением диффузии (17.11).

196

Рис. 17.6. Общий вид электрофотоколориметра КФК-2:

1 – стрелочный индикатор; 2 – переключатель светофильтров; 3 – ручка перемещения кюветодержателя; 4 – переключатель фотоприемников и чувствительности;

5 – ручки установки «100» «Грубо» и «Точно»

17.3.Экспериментальная часть

17.3.1.Изучение временной зависимости переноса вещества через искусственную мембрану

1.Включить в сеть фотоколориметр и дать прибору прогреться в течение 10 минут. Кюветное отделение при этом должно быть открытым!

2.Ручку «Светофильтры» установить в положение 590, при котором

197

пропускание света с λ = 600 нм, что соответствует максимуму поглощения метиленового синего.

3.Установить минимальную чувствительность колориметра. Для этого ручку «Чувствительности» установить в положение1, ручку «Установки 100 грубо» – в крайнее левое положение.

При измерении со светофильтрами590, 670 и т.д., отмеченными красным цветом, ручка «Чувствительность» может быть установлена в одно из положений 1, 2, 3, отмеченных также красным цветом.

Рабочие поверхности кювет должны перед каждым измерением тщательно протираться спирто-эфирной смесью. Нельзя касаться пальцами рабочих участков кювет (ниже уровня жидкости).

Загрязнение поверхности кювет приведет к неверным результатам.

4.Заполнить один из дозаторных шприцов дистиллированной водой, другой – 0,0005% раствором метиленового синего.

5.С помощью дозаторных шприцов одновременно заполнить отсеки комбинированной кюветы так, чтобы уровень жидкостей в них оставался одинаковым на протяжении всего процесса заполнения. Это предотвратит преждевременное просачивание жидкости через мембрану, когда залита лишь одна часть кюветы.

Установить комбинированную кюветуА-В в кюветодержатель.

кюветодержателя находились с передней стороны и отсек с раствором метиленового синего был обращен к пользователю.

6.Поместить кювету А с растворителем (дистиллированной водой) в световой пучок (ручка 4 в положении 1 (рис. 17.6)).

7.Закрыть крышку кюветного отделения.

8.Ручками «Установка 100» – «Грубо» и «Точно» установить отсчет «100» по шкале колориметра. Ручка «Чувствительность» может находиться

водном из трех положений 1, 2 или 3.

9.Затем поворотом ручки 3 (рис. 17.6) кювету А с дистиллированной водой заменить кюветой В с раствором метиленового синего.

10.Снять отсчет по шкалеD колориметра, соответствующий оптической плотности D исследуемого раствора.

11.Открыть крышку кюветного отделения.

198

12.Начать отсчет времени. Записать значение D = D (0) (при t = 0).

13.Измерения проводить в течение 1,5 часов, выполняя п. 7-12 через

метиленового синего в растворе при каждом измерении и рассчитать относительную концентрацию Сотн = Сх/С0, где Со – концентрация метиленового синего в исходном растворе, равная 0,0005% (Со =5×10-4%).

Результаты занести втабл. 17.1. Построить график зависимости

Сотн = f(t).

Сделать вывод относительно зависимости скорости изменения

199

1. Используя результаты предыдущего задания, определить массу метиленового синего, продиффундировавшего через мембрану в течение первых 10 минут с начала измерений:

m = C1 [мг / см3 ]×V [cм3 ],

где С1 – концентрация раствора через 10 минут после начала диффузии,

3

измеренная в мг/см (учесть, что весовая концентрация 1% соответствует 10 мг вещества в1 см3 раствора, т.е. С = 1% = 10 мг/см3); V – объем раствора в отсеке А (V = 10,5 см3).

2. Вычислить константу проницаемости мембраны для метиленового синего по формуле:

эритроцитов

1.Ручку «Светофильтр» установить в положение 630 (красный свет), чтобы уменьшить поглощение света красной суспензией эритроцитов и исследовать только явление рассеяния.

2.Подготовить таблицу, аналогичную табл. 17.1, обозначить ее как

табл. 17.2.

3.Налить в измерительную кювету дистиллированную во(доу нижней метки). Затем долить в эту же кювету суспензию из эритроцитов в физиологическом растворе (до верхней метки), быстро перемешать стеклянной палочкой и поместить в фотоколориметр.

4.Вначале в световой луч поместить контрольную кювету с

дистиллированной водой (положение 1 ручки 3 (рис. 17.6)), затем перевести ручку 3 в положение 2 – в световой луч вводится измерительная кювета с суспензией эритроцитов.

200