Главная Случайная страница Контакты | Мы поможем в написании вашей работы! | ||
|
Важной характеристикой мембран является их способность пропускать или не пропускать молекулы (атомы) и ионы. Вероятность такого проникновения зависит как от направления перемещения частиц (в клетку или из клетки), так и от разновидности молекул и ионов.
Эти вопросы относятся к явлениям переноса. Таким термином называют самопроизвольные необратимые процессы, в которых благодаря молекулярному движению из одной части системы в другую переносится какая-либо физическая величина.
Рассмотрим наиболее существенные для биологических мембран явления: перенос вещества (диффузию) и перенос заряда (электропроводность).
Как синоним переноса частиц в биофизике используется термин «транспорт частиц».
Основное уравнение диффузии имеет вид
, (1)
где J -плотность потока частиц, – коэффициент диффузии, τ – среднее время оседлой жизни молекулы (среднее время перескока), δ – среднее расстояние между молекулами, c=m∙n – массовая концентрация, m – масса молекулы, n – концентрация молекул. Знак «-» показывает, что суммарная плотность потока частиц при диффузии направлена в сторону уменьшения их концентрации (увеличения градиента концентрации).
(1) называется уравнением Фика.
Уравнение Фика описывает диффузию в однородной среде. Модифицируем его для случая диффузии через мембрану. Обратим внимание на следующий известный факт: на границе раздела двух сред (например, воды и масла) обязательно имеет место скачкообразное изменение концентрации частиц диффундирующего вещества. Например, если в сосуд, в котором поверх воды налито масло, бросить соль, то ее концентрации в этих средах будут различны.
Пусть концентрация частиц, диффундирующих через мембрану, изменяется в мембране линейно (рис.11).
Рис.11. Распределение концентрации частиц, проходящих через мембрану
Тогда
где – толщина мембраны, сi – концентрация частиц внутри клетки, с0 – снаружи клетки, сmi – концентрация частиц в мембране у ее внутренней поверхности, cmo – концентрация частиц в мембране у ее внешней поверхности.
Отсюда
или
.
Практически легче определять концентрации частиц не внутри мембраны (cmi и cmo), а вне мембраны: в клетке (сi) и снаружи клетки (co). Предположим, что
где k -коэффициент распределения частиц между мембраной и окружающей средой. Тогда cmo = kco, cmi = kci, и имеем
.
Отсюда
или, окончательно
, (2)
где – коэффициент проницаемости , характеризующий способность мембраны пропускать те или иные вещества.
Перенос заряженных частиц. Электродиффузное уравнение Нернста-Планка
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
, (3)
где φ – потенциал поля, F=eNA -постоянная Фарадея, Z – валентность, Um – 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 электродиффузным уравнением Нернста-Планка
. (4)
Для нейтральных частиц (Z=0) уравнение Нернста-Планка переходит в уравнение Фика.
Дата публикования: 2015-04-08; Прочитано: 1186 | Нарушение авторского права страницы | Мы поможем в написании вашей работы!