ЯВЛЕНИЯ ПЕРЕНОСА. Лекция (4)

1. ЯВЛЕНИЯ ПЕРЕНОСА ДИФФУЗИЯ ДИФФУЗИЯ В ЖИДКОСТИ ДИФФУЗИЯ ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНУ ЭЛЕКТРОДИФФУЗИЯ

2. Явления переноса -

Явления переноса ► Необратимые процессы,
пространственный перенос
электрического заряда, массы, импульса,
энергии или каких-либо других величин.
► Причины: действий внешнего
электрического поля, наличие
пространственной неоднородности
состава (концентрации вещества),
температуры или средней скорости
движения частиц среды.

3. Явления переноса

grad C
С1
<
С2
перенос
∆X
Перепад
концентраций
в
расчёте на единицу
расстояния

4. Явления переноса

► Градиент любой физической величины -
причина переноса.
► Перенос происходит в направлении,
обратном её градиенту
► Система переходит в состояние
равновесия.

5. Явления переноса

► Электропроводность – перенос
электрического заряда под действием
внешнего электрического поля.
► Диффузия – перенос вещества при
наличии в системе градиента его
концентрации.
► Теплопроводность – перенос теплоты
(тепловой энергии) вследствие градиента
температуры.

6. Явления переноса

► Вязкое течение – перенос импульса
(количества движения), связанный с
градиентом средней массовой скорости.
► В биологической системе наиболее
важны: перенос потока вещества,
перенос электрического заряда (обмен
веществ, генерация потенциала
действия, создание потенциала покоя).

7.

Диффу́зия неравновесный процесс перемещения
вещества
из
области
с
высокой
концентрацией в область с низкой
концентрацией,
приводящий
к
самопроизвольному
выравниванию
концентраций по всему занимаемому
объёму

8. Диффу́зия -

Диффузия взаимопроникновение соприкасающихся
веществ друг в друга вследствие
теплового движения частиц вещества
(газы, жидкости, твёрдые тела).

9. Диффузия -

Основные понятия, используемые
при описании процесса переноса
вещества
1.
2.
Градиент ( grad C=dC/dx) – производная
концентрации по координате, величина
векторная, направленная в сторону
увеличения величины.
Поток вещества.
кг/с

10. Основные понятия, используемые при описании процесса переноса вещества

Плотность потока
вещества
(интенсивность потока
вещества) – поток через
единицу площади
данной поверхности
КГ/С*М2
S

11. Основные понятия, используемые при описании процесса переноса вещества

Диффузия в жидкости
► В жидкостях диффузия осуществляется
перескоками молекул из одного
устойчивого положения в другое, в
которых молекулы задерживаются
сравнительно долго и совершают
тепловые колебания.

12. Диффузия в жидкости

1.
2.
Время оседлой жизни
- время, в
течении которого молекула
осуществляет колебания около одного
положения.
Длина свободного пробега
расстояние между ближайшими
центрами оседлой жизни

13. Диффузия в жидкости

Уравнение Фика
(1855)
Адольф Фик (1829-1901)

14. Уравнение Фика (1855)

Уравнение Фика
D – коэффициент
диффузии;
dC/dx – градиент
диффузии
Знак минус показывает,
что перенос вещества
происходит в сторону,
противоположную
направлению градиента
концентрации.

15. Уравнение Фика

Уравнение диффузии
Формула Эйнштейна:
u – подвижность частицы; k - постоянная
Больцмана,
2/с
-23
м
k=1,38*10 Дж/К;
Т – термодинамическая температура

16. Домашнее задание

Коэффициент диффузии
►В случае переноса
сферической частицы,
подвижность -

17. Уравнение диффузии

►По закону Фика осуществляется
простая диффузия незаряженных
частиц. Заряженные частицы также
участвуют в простой диффузии,
если имеется grad C.

18. Коэффициент диффузии

Мембрана ► функциональная структура толщиной в
несколько молекулярных слоёв, разделяющая
внутреннее пространство клетки и
внутриклеточную среду от внешней среды.

19.

Мембрана
► Клеточная мембрана образована двойным
слоем фосфолипидов.

20. Мембрана -

Мембрана
Молекулы липидов,
образующие мембрану
являются
амфипатическими
соединениями – состоят
из двух функционально
различных частей:
полярной
гидрофильной
головки и неполярного
гидрофобного «хвоста».

21. Мембрана

22. Мембрана

Транспорт
► Пассивный -
транспорт без затрат
свободной энергии,
перенос молекул в
сторону меньшей
концентрации
► Активный –
осуществляется с
дополнительными
затратами энергии
(энергии АТФ), в
сторону большего
значения
концентрации.

23.

Уравнение диффузии для
мембраны
С
Сi
Сim
Сe
Сem
l
х
коэффициент
распределения
вещества

24. Транспорт

Уравнение диффузии для
мембраны
С
Сi
Сim
Сe
Сem
l
х
коэффициент
проницаемости
мембраны
м/с

25. Уравнение диффузии для мембраны

Коэффициент проницаемости
►r – радиус белкового канала
►n – число открытых каналов
►D – коэффициент диффузии
►l - толщина мембраны

26. Уравнение диффузии для мембраны

Диффузия веществ через
мембрану

27. Коэффициент проницаемости

Диффузия веществ через
мембрану
►Поскольку клеточная мембрана
полупроницаема, через нее могут
легко диффундировать только
небольшие незаряженные
вещества, такие как углекислый
газ, вода и кислород. Заряженные
ионы или крупные молекулы
требуют других видов транспорта.

28. Диффузия веществ через мембрану

Облегчённая диффузия
►Многие полярные или заряженные
вещества (например, хлорид)
нуждаются в помощи мембранных
белков. Мембранные белки могут
быть либо канальными белками,
либо белками-носителями.

29. Диффузия веществ через мембрану

Облегчённая диффузия

30. Облегчённая диффузия

► Если полярные и заряженные вещества
имеют градиент концентрации, их заряд
или полярность не позволяют им
пересекать гидрофобный центр
клеточной мембраны. Вещества,
транспортируемые посредством
облегченной диффузии, перемещаются
благодаря градиенту концентрации,
транспортные белки защищают их от
гидрофобной части мембраны

31. Облегчённая диффузия

Уравнение Нерста-Планка
Перенос ионов через мембрану
► Существует
∆φ
φ1
+
<
φ2
трансмембранная
разность потенциалов.
► Разность потенциалов,
градиент потенциала
и наличие свободных
электрических
зарядов приводит к
переносу заряда через
мембрану, т.е. к
электродиффузии.

32.

Причины наличия разности
потенциалов
1.
2.
Присутствие ионов
благодаря
большому
количеству воды;
Распределение
концентраций
ионов и
электрического
заряда по обе
стороны от
мембраны.

33. Уравнение Нерста-Планка Перенос ионов через мембрану

Причины наличия разности
потенциалов
10-15
► Такое
<
распределение
ионов
нормально для
живой,
здоровой клетки
в состоянии
физиологического покоя.
15
<
20-40
>

34. Причины наличия разности потенциалов

Диффузия свободных
электрических зарядов
► Градиент
-
+
(покой)
потенциалов
вызовет диффузию
электрических
зарядов через
мембрану
(электродиффузию)
под действием
электрических сил.

35. Причины наличия разности потенциалов

Уравнение Нерста-Планка
диф
Поток обусловлен
градиентом
концентрации
э/диф
Поток обусловлен
градиентом
потенциала

36. Диффузия свободных электрических зарядов

Уравнение Нерста-Планка
►Um – молярная подвижность;
►F – постоянная Фарадея;
►с – молярная концентрация ионов;
►Z - валентность

37. Уравнение Нерста-Планка

Активный транспорт это перенос веществ через мембрану в
направлении больших концентраций
противоположно действию
электрических сил
► Необходимы затраты свободной
энергии, выделяющейся в ходе
окислительно-восстановительных
реакций или при гидролизе АТФ.

38. Уравнение Нерста-Планка

Унипорт, симпорт и антипорт молекул через
мембраны

39. Активный транспорт -

Калий-натриевый насос
► Калий-натриевый насос работает сопряжённо:
активного транспорта ионов Na+ нет, если во
внешней среде нет ионов K+ и наоборот.
►Насос
переносит из
клетки во
внешнюю
среду
3 иона Na+ в
обмен на
перенос
2 ионов K+

40.

Калий-натриевый насос

41. Калий-натриевый насос

Виды пассивного транспорта

42. Калий-натриевый насос

Миграция
► Размеры
переносчиков
меньше толщины
мембраны.
► Внутри мембран
создают «малую
карусель», за
пределами
мембраны –
«большую
карусель»

43. Виды пассивного транспорта

Ротация
► Транспорт за счёт поворота крупной
молекулы, размеры которой
превышают толщину мембраны.
► Одномоментный перенос многих
молекул.

44. Миграция

Сдвиг
►Транспорт с
конформационными
перестройками
неподвижного
носителя.
►Выгоден в
энергетическом
отношении.

45. Ротация

Транспорт

46. Сдвиг

Благодарю за
внимание!