Лекции по дисциплине «биофизика» Тараз 2019 лекция №1-2

Существует 3 возможных механизмов прохождения ионов через мембрану:

1) Растворение иона в липидной фазе мембраны, диффузия и последующий переход из мембраны в раствор.

2) Движение по ионным каналам.

3) Транспорт с участием переносчиков.

Эти механизмы переноса установлены как для биологических мембран, так и для бислойных липидных мембран. Отдельную категорию составляют транспорт через мембранные барьеры клетки по механизму пиноцитоза.

Скорость проникновения ионов через мембрану определяется таким ее свойствами, как толщина, значение диэлектрической проницаемости, наличие фиксированных электрических зарядов на ее поверхности знак и плотность расположения этих фиксированных зарядов на мембране , размеры и число пор в мембране и т.д.

Электрохимический потенциал. Движущей силой диффузии служит разность химических потенциалов данного вещества в двух областях , между которыми происходит диффузия химический потенциал не растворенного вещества ( ) равно:

(1)

Где: - стандартный химический потенциал, зависящий от природы растворится, С- концентрация.

Для ионов , движение которых зависит не только от концентрации, но и от электрического потенциала, соответствующим понятием является электрохимический потенциал ( ):

(2)
Где - электрохимический потенциал, - валентность. Число Фарадея (9,65·10⁴Кл/моль).

Электрохимическим потенциал - мера работы , необходимой для переноса 1 моля ионов из раствора с данной концентрацией и данных электрическим потенциалом в бесконечно удаленную точку в вакууме. Эта работа складывается из затрат на преодоление сил химического взаимодействия ( ) и работы по переносу зарядов в электрическом поле ( ).

Иногда работу по переносу ионов относят не к грам-эквивалента, а к одному иону. В этом случае в правую часть уравнения (2) вместе R и F входят постоянная Больцмана и заряд электрона:
(3)
Независимо от выбора определений (2) или (3) формулы описывающие распределение потенциала и концентраций в равновесных и неравновесных системах, получаются эквивалентными, т.к. входящие в них отношения равны и составляют при температуре 20^ºС примерно 25 мВ.

.

Пассивное движение ионов происходит их области с высоким электрохимическим потенциалом в область с более низким электрохимическим потенциалом. Движущей силой переноса ионов является градиент электрохимического потенциала .

Применение соотношения (1) к частицам атомных размеров ограничено, поскольку при размере диффундирующих частиц, близком к размеру воды, среду нельзя рассматривать как гомогенную. Кроме того, диффундирующаяся частица влияет на локальную структуру воды, в результате чего эффективная локальная вязкость может отличаться от макроскопической вязкости.

Зависимость от радиуса коэффициентов диффузии различных не электролитов (H₂, O₂, He, Ne, Ar, H₂S) мало изменяющихся структуру воды, согласуется с уравнением Стокса-Энштейна. В соответствии с теорией малые частицы оказываются подвижнее больших. Однако зависимость подвижности ионов в воде от радиуса максимальна при 0,15нм для одновалентных катионов и при 0,2нм для одновалентных анионов.

Все ионы щелочных металлов располагаются слева от максимума. Это отражает известную аномалию – ионы металлов с большим порядковым номером диффундируют быстрее, чем ионы с меньшим порядковым номером. Обработка пропорциональность между радиусом иона и трением при диффузии можно объяснить, не привлекая представления об увеличении радиуса при гидратации малых ионов.