Биологические мембраны. Диффузионный потенциал. Трансмембранный градиент концентрации калия Транспорт по градиенту концентрации

Градиент концентрации (от лат. gradi, gradu, gradus - ход, движение, течение, приближение; con - с, вместе, совместно + centrum - центр) или концентрационный градиент - это векторная физическая величина , характеризующая величину и направление наибольшего изменения концентрации какого-либо вещества в среде. Например, если рассмотреть две области с различной концентрацией какого-либо вещества, разделенные полупроницаемой мембраной, то градиент концентрации будет направлен из области меньшей концентрации вещества в область с большей его концентрацией.

Активный транспорт - перенос вещества через клеточную или внутриклеточную мембрану (трансмембранный А.т.) или через слой клеток (трансцеллюлярный А.т.), протекающий против градиента концентрации из области низкой концентрации в область высокой, т. е. с затратой свободной энергии организма. В большинстве случаев, но не всегда, источником энергии служит энергия макроэргических связей АТФ .

Различные транспортные АТФазы, локализованные в клеточных мембранах и участвующие в механизмах переноса веществ, являются основным элементом молекулярных устройств - насосов, обеспечивающих избирательное поглощение и откачивание определенных веществ (например, электролитов) клеткой. Активный специфический транспорт неэлектролитов (молекулярный транспорт) реализуется с помощью нескольких типов молекулярных машин - насосов и переносчиков. Транспорт неэлектролитов (моносахаридов, аминокислот и других мономеров) может сопрягаться с симпортом - транспортом другого вещества, движение которого против градиента концентрации является источником энергии для первого процесса. Симпорт может обеспечиваться ионными градиентами (например, натрия) без непосредственного участия АТФ.

Пассивный транспорт - перенос веществ по градиенту концентрации из области высокой концентрации в область низкой, без затрат энергии (например, диффузия , осмос ). Диффузия - пассивное перемещение вещества из участка большей концентрации к участку меньшей концентрации. Осмос - пассивное перемещение некоторых веществ через полупроницаемую мембрану (обычно мелкие молекулы проходят, крупные не проходят).

Существует три типа проникновения веществ в клетку через мембраны: простая диффузия, облегчённая диффузия, активный транспорт .

Простая диффузия

При простой диффузии частицы вещества перемещаются сквозь билипидный слой. Направление простой диффузии определяется только разностью концентраций вещества по обеим сторонам мембраны. Путём простой диффузии в клетку проникают гидрофобные вещества (O2,N2,бензол) и полярные маленькие молекулы (CO 2 , H 2 O, мочевина ). Не проникают полярные относительно крупные молекулы (аминокислоты, моносахариды), заряженные частицы (ионы) и макромолекулы (ДНК, белки).

Облегченная диффузия

Большинство веществ переносится через мембрану с помощью погружённых в неё транспортных белков (белков-переносчиков). Все транспортные белки образуют непрерывный белковый проход через мембрану. С помощью белков-переносчиков осуществляется как пассивный, так и активный транспорт веществ. Полярные вещества (аминокислоты, моносахариды), заряженные частицы (ионы) проходят через мембраны с помощью облегченной диффузии, при участии белков-каналов или белков-переносчиков. Участие белков-переносчиков обеспечивает более высокую скорость облегченной диффузии по сравнению с простой пассивной диффузией. Скорость облегченной диффузии зависит от ряда причин: от трансмембранного концентрационного градиента переносимого вещества, от количества переносчика, который связывается с переносимым веществом, от скорости связывания вещества переносчиком на одной поверхности мембраны (например, на наружной), от скорости конформационных изменений в молекуле переносчика, в результате которых вещество переносится через мембрану и высвобождается на другой стороне мембраны. Облегченная диффузия не требует специальных энергетических затрат за счет гидролиза АТФ. Эта особенность отличает облегченную диффузию от активного трансмембранного транспорта.

Градиент концентрации или концентрационный градиент - это векторная физическая величина , характеризующая величину и направление наибольшего изменения концентрации какого-либо вещества в среде. Например, если рассмотреть две области с различной концентрацией какого-либо вещества, разделённые полупроницаемой мембраной, то градиент концентрации будет направлен из области меньшей концентрации вещества в область с большей его концентрацией.

Определение

Градиент концентрации направлен по пути l , соответствующему нормали к изоконцентрационной поверхности (полупроницаемой мембране). Значение концентрационного градиента $\nabla C$ равно отношению элементарного изменения концентрации dC к элементарной длине пути dl :

$\nabla C = \frac{dC}{dl}$

При постоянном значении градиента концентрации C на длине пути l :

$\nabla C = \frac{C_1 - C_2}{l}$

Здесь C 1 и C 2 - начальное и конечное значение концентрации на длине пути l (нормали к изоконцентрационной поверхности).

Единицей измерения градиента концентрации в Международной системе единиц (СИ) является величина −4 (моль/м 4 или кг/м 4), а также её дольные или кратные производные.

См. также

Напишите отзыв о статье "Градиент концентрации"

Литература

Антонов В. Ф., Черныш А. М., Пасечник В. И. Биофизика - М .: ВЛАДОС, 2000, С. 35. ISBN 5-691-00338-0
Трифонов Е. В. - СПб.: 2011.

Отрывок, характеризующий Градиент концентрации

Я сообщил ему об этом. Внушите, пожалуйста, Леппиху, чтобы он обратил хорошенько внимание на то место, где он спустится в первый раз, чтобы не ошибиться и не попасть в руки врага. Необходимо, чтоб он соображал свои движения с движениями главнокомандующего.]
Возвращаясь домой из Воронцова и проезжая по Болотной площади, Пьер увидал толпу у Лобного места, остановился и слез с дрожек. Это была экзекуция французского повара, обвиненного в шпионстве. Экзекуция только что кончилась, и палач отвязывал от кобылы жалостно стонавшего толстого человека с рыжими бакенбардами, в синих чулках и зеленом камзоле. Другой преступник, худенький и бледный, стоял тут же. Оба, судя по лицам, были французы. С испуганно болезненным видом, подобным тому, который имел худой француз, Пьер протолкался сквозь толпу.
– Что это? Кто? За что? – спрашивал он. Но вниманье толпы – чиновников, мещан, купцов, мужиков, женщин в салопах и шубках – так было жадно сосредоточено на то, что происходило на Лобном месте, что никто не отвечал ему. Толстый человек поднялся, нахмурившись, пожал плечами и, очевидно, желая выразить твердость, стал, не глядя вокруг себя, надевать камзол; но вдруг губы его задрожали, и он заплакал, сам сердясь на себя, как плачут взрослые сангвинические люди. Толпа громко заговорила, как показалось Пьеру, – для того, чтобы заглушить в самой себе чувство жалости.
– Повар чей то княжеский…
– Что, мусью, видно, русский соус кисел французу пришелся… оскомину набил, – сказал сморщенный приказный, стоявший подле Пьера, в то время как француз заплакал. Приказный оглянулся вокруг себя, видимо, ожидая оценки своей шутки. Некоторые засмеялись, некоторые испуганно продолжали смотреть на палача, который раздевал другого.
Пьер засопел носом, сморщился и, быстро повернувшись, пошел назад к дрожкам, не переставая что то бормотать про себя в то время, как он шел и садился. В продолжение дороги он несколько раз вздрагивал и вскрикивал так громко, что кучер спрашивал его:
– Что прикажете?
– Куда ж ты едешь? – крикнул Пьер на кучера, выезжавшего на Лубянку.
– К главнокомандующему приказали, – отвечал кучер.

Градиент концентрации

Градиент концентрации (от лат. gradi, gradu, gradus - ход, движение, течение, приближение; con - с, вместе, совместно + centrum - центр) или концентрационный градиент - это векторная физическая величина , характеризующая величину и направление наибольшего изменения концентрации какого-либо вещества в среде. Например, если рассмотреть две области с различной концентрацией какого-либо вещества, разделённые полупроницаемой мембраной, то градиент концентрации будет направлен из области меньшей концентрации вещества в область с большей его концентрацией.

Определение

Градиент концентрации направлен по пути l , соответствующему нормали к изоконцентрационной поверхности (полупроницаемой мембране). Значение концентрационного градиента gradC равно отношению элементарного изменения концентрации dC к элементарной длине пути dl :

При постоянном значении градиента концентрации C на длине пути l :

Градиент концентрации может быть причиной переноса веществ, например диффузии . Диффузия осуществляется против градиента концентрации.

Единицей измерения градиента концентрации является величина м −2 , а также её дольные или кратные производные.

В научной литературе (биологии, химии и др.) достаточно часто данный термин встречается в значении степени различия, то есть не векторной , а скалярной величины , показывающей разницу концентраций между двумя ограниченными областями, что является грубой ошибкой. В связи с этим, говоря, например, о пассивном транспорте, указывают, что он осуществляется по градиенту концентрации, имея в виду по разности концентраций вещества, но это изменяет смысл термина, и потому такое его трактование неверно.

См. также

Литература

Антонов В. Ф., Черныш А. М., Пасечник В. И. Биофизика - М .: ВЛАДОС, 2000, С. 35. ISBN 5-691-00338-0
Трифонов Е.В. Психофизиология человека, 14-е изд. - СПб.: 2011.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Градиент концентрации" в других словарях:

градиент концентрации - — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN composition gradient …

градиент концентрации - – разность содержания ионов K+, Na+, Ca2+ вне и внутри клетки (ионная асимметрия), что обеспечивает образование мембранного потенциала и регуляцию биоэффектов внутри клеток. Общая химия: учебник / А. В. Жолнин … Химические термины

градиент концентрации - koncentracijos gradientas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. concentration gradient vok. Konzentrationsgradient, m rus. градиент концентрации, m pranc. gradient de la concentration, m … Fizikos terminų žodynas

градиент концентрации примеси - — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN impurity gradient … Справочник технического переводчика

относительный градиент концентрации космических лучей - относительный градиент концентрации Вектор, направленный в сторону максимального увеличения концентрации космических лучей, модуль которого равен отношению производной концентрации в этом направлении к величине концентрации. [ГОСТ 25645.104 84]… … Справочник технического переводчика

Эта статья о математической характеристике; о способе заливки см.: Градиент (компьютерная графика) … Википедия

анимально-вегетативный градиент - ЭМБРИОЛОГИЯ ЖИВОТНЫХ АНИМАЛЬНО ВЕГЕТАТИВНЫЙ ГРАДИЕНТ – градиент чувствительности у еще не оплодотворенной яйцеклетки с выраженным анимальным и вегетативным полюсами (например, у птиц при отмирании яйцеклетки изменения происходят вначале на… … Общая эмбриология: Терминологический словарь

Теория неравновесных макроскопических процессов, то есть процессов, возникающих в системах, выведенных из состояния теплового (термодинамического) равновесия. К К. ф. можно отнести термодинамику неравновесных процессов (См. Термодинамика… … Большая советская энциклопедия

Необратимый перенос массы компонента смеси в пределах одной или неск. фаз. Осуществляется в результате хаотич. движения молекул (мол. диффузия), макроскопич. движения всей среды (конвективный перенос), а в турбулентных потоках также в результате… … Химическая энциклопедия

МКБ 10 E … Википедия

Оглавление темы "Передача информации посредством электрического возбуждения.":
1. Передача информации посредством электрического возбуждения. Потенциал покоя.

3. Изменения внеклеточной концентрации калия (К).
4. Влияние глии на состав межклеточной среды. Гематоэнцефалический барьер.
5. Потенциал действия. Временной ход потенциала действия. Реполяризация.
6. Следовые потенциалы. Природа потенциала действия. Порог и возбудимость.
7. Проводимость мембраны. Ионные токи во время потенциала действия.
8. Кинетика ионных токов во время возбуждения. Регистрация мембранных токов.
9. Натрий (Na) и калиевая (K) проводимость во время потенциала действия.
10. Инактивация натриевого (Nа) - тока.

Диффузионный потенциал. Ранее было отмечено, что потенциал покоя представляет собой диффузионный потенциал ионов , которые пассивно перемещаются через каналы в мембране. В состоянии покоя большинство открытых каналов мембраны являются калиевыми (K)-каналами; следовательно, потенциал покоя в первом приближении определяется трансмембранным градиентом концентрации калия (K) . На рис. 2.2 показана зависимость измеренного потенциала от внеклеточной концентрации калия (K).

Рис. 2.2. Зависимость потенциала покоя в мышечном волокне лягушки (ордината) от внеклеточной концентрации калия (K) (абсцисса, логарифмическая шкала). Кружками отмечены значения мембранного потенциала, измеренного при различных концентрациях ионов калия [К+]0. Прямая линия отражает соотношение между калиевым равновесным потенциалом и [К+]0, рассчитанное по уравнению Нернста. Коэффициент 58 учитывает пониженную температуру тела лягушки.

После сдвига внеклеточной концентрации К+ внутриклеточная концентрация сначала сохраняется на прежнем уровне, и в течение этого короткого промежутка времени измеряемый калиевый (K) -потенциал должен в соответствии с уравнением Нернста изменяться пропорционально логарифму [К+]0. Этот калиевый (K)-потенциал. Е(k), обозначен красной линией на рис. 2.2. Регистрируемые значения потенциала покоя в верхнем диапазоне очень близки к Е(k), однако по мере снижения [К+]0 они становятся все менее отрицательными по сравнению с Е(k). Это расхождение следует отнести за счет относительно большего вклада натриевой проницаемости PNa при низком значении [К+]0. Отклонение регистрируемых значений потенциала покоя от Е(k) исчезает, если прекратить поступление натрия (Na) , например, путем замещения внеклеточного натрия (Na) таким неспособным к диффузии катионом, как холин. Отсюда следует, что нормальный потенциал покоя примерно на 10 мВ более положителен, чем Е(k).

Что такое концентрация? Если говорить в широком смысле, то это соотношение объема вещества и количества растворенных в нем частиц. Данное определение встречается в самых разнообразных отраслях науки, начиная от физики и математики, заканчивая философией. В данном случае, идет речь об употреблении понятия «концентрация» в биологии и химии.

Градиент

В переводе с латыни, это слово означает «растущий» или «шагающий», то есть это некий «указующий перст», который показывает направление, в котором возрастает любая величина. В качестве примера можно использовать, допустим, высоту над уровнем моря в разных точках Земли. Ее (высоты) градиент в каждой отдельной точке на карте будет показывать вектор увеличения значения до достижения самого крутого подъема.

В математике этот термин появился только в конце девятнадцатого века. Его ввел Максвелл и предложил свои обозначения этой величины. Физики используют данное понятие для того, чтобы описывать напряженность электрического или гравитационного поля, изменение потенциальной энергии.

Не только физика, но и другие науки используют термин «градиент». Это понятие может отражать как качественную, так и количественную характеристику вещества, например, концентрацию или температуру.

Градиент концентрации

Теперь известно, а что такое концентрация? Это которая показывает долю вещества, содержащегося в растворе. Она может высчитываться в виде процента от массы, количества молей или атомов в газе (растворе), доли от целого. Такой широкий выбор дает возможность выразить практически любое соотношение. И не только в физике или биологии, но и в метафизических науках.

А в общем, градиент концентрации является которая одновременно дает характеристику количеству и направлению изменения вещества в среде.

Определение

Можно ли подсчитать градиент концентрации? Формула его представляет собой частность между элементарным изменением концентрации вещества и длинной пути, который придется преодолеть веществу для достижения равновесия между двумя растворами. Математически это выражается формулой С = dC/dl.

Наличие градиента концентрации между двумя веществами является причиной их смешивания. Если частицы движутся из области с большей концентрацией в меньшую, то это называется диффузией, а если между ними находится полупроницаемое препятствие - осмосом.

Активный транспорт

Активный и пассивный транспорт отражает движение веществ через мембраны или слои клеток живых существ: простейших, растений, животных и человека. Этот процесс проходит с использованием тепловой энергии, так как переход веществ осуществляется против градиента концентрации: от меньшего к большему. Наиболее часто для осуществления такого взаимодействия используется аденозинтрифосфат или АТФ - молекула, которая является универсальным источником энергии в 38 Джоулей.

Существуют разные формы АТФ, которые располагаются на мембранах клеток. Энергия, заключенная в них, высвобождается при переносе молекул веществ через так называемые насосы. Это поры в клеточной стенке, которые выборочно поглощают и откачивают ионы электролитов. Кроме того, существует такая модель транспорта как симпорт. В этом случае одновременно транспортируется два вещества: одно выходит из клетки, а другое в нее попадает. Это позволяет сэкономить энергию.

Везикулярный транспорт

Активный и включает в себя транспортировку веществ в виде пузырьков или везикул, поэтому процесс называется, соответственно, везикулярным транспортом. Выделяют два его вида:

Эндоцитоз. В этом случае пузырьки образуются из мембраны клеток в процессе поглощения ею твердых или жидких веществ. Везикулы могут быть гладкими или иметь каемку. Такой способ питания имеют яйцеклетки, белые клетки крови, а также эпителий почек.
Экзоцитоз. Исходя из названия, это процесс противоположный предыдущему. Внутри клетки есть органеллы (например, аппарат Гольджи), которые «упаковывают» вещества в пузырьки, а они, в последующем, выходят через мембрану.

Пассивный транспорт: диффузия

Движение по градиенту концентрации (от высокой к низкой) происходит без использования энергии. Выделяют два варианта пассивного транспорта - это осмос и диффузия. Последняя бывает простой и облегченной.

Основное отличие осмоса в том, что процесс перемещения молекул происходит через полупроницаемую мембрану. А диффузия по градиенту концентрации происходит в клетках, имеющих мембрану с двумя слоями липидных молекул. Направление транспорта зависит только от количества вещества с обеих сторон мембраны. Этим способом в клетки проникают полярные молекулы, мочевина, и не могут проникнуть белки, сахара, ионы и ДНК.

В процессе диффузии, молекулы стремятся заполнить весь доступный объем, а так же выровнять концентрацию по обе стороны мембраны. Бывает так, что мембрана непроницаема или плохо проницаема для вещества. В этом случае на нее воздействуют осмотические силы, которые могут как сделать преграду плотнее, так и растянуть ее, увеличив размеры насосных каналов.

Облегченная диффузия

Когда градиент концентрации не является достаточным основанием для транспорта вещества, на помощь приходят специфические белки. Они располагаются на мембране клеток точно так же, как и молекулы АТФ. Благодаря ним, может осуществляться как активный, так и пассивный транспорт.

Таким способом через мембрану проходят крупные молекулы (белки, ДНК), полярные вещества, к которым относятся аминокислоты и сахара, ионы. Благодаря участию белков скорость транспорта увеличивается в несколько раз, по сравнению с обычной диффузией. Но это ускорение зависит от некоторых причин:

градиента вещества внутри и вне клетки;
количества молекул-переносчиков;
скорости связывания вещества и переносчика;
скорости изменения внутренней поверхности мембраны клетки.

Несмотря на это, транспорт осуществляется благодаря работе белков-переносчиков, а энергия АТФ в данном случае не используется.

Основными чертами, которые характеризуют облегченную диффузию, являются:

Быстрый перенос веществ.
Избирательность транспорта.
Насыщаемость (когда все белки заняты).
Конкуренция между веществами (из-за сродства с белком).
Чувствительность к специфическим химическим агентам - ингибиторам.

Осмос

Как уже упоминалось выше, осмос - это движение веществ по градиенту концентрации через полупроницаемую мембрану. Наиболее полно процесс осмоса описывает принцип Лешателье-Брауна. В нем говорится, что если на систему, находящуюся в равновесии, повлиять извне, то она будет стремиться вернуться в прежнее состояние. Первый раз с явлением осмоса столкнулись в середине XVIII столетия, но тогда ему не придали особого значения. Исследования феномена начались только сто лет спустя.

Самым важным элементом в феномене осмоса является полупроницаемая мембрана, которая пропускает через себя только молекулы определенного диаметра или свойств. Например, в двух растворах с разной концентрацией, через преграду будет проходить только растворитель. Это будет продолжаться до тех пор, пока концентрация с обеих сторон мембраны не станет одинаковой.

Осмос играет значительную роль в жизни клеток. Это явление позволяет проникать в них только тем веществам, которые необходимы для поддержания жизни. Красная клетка крови имеет мембрану, пропускающую только воду, кислород и питательные вещества, но белки, которые, образуются внутри эритроцита, не могут попасть наружу.

Явление осмоса нашло и практическое применение в быту. Даже не подозревая об этом, люди в процессе засаливания пищи использовали именно принцип движения молекул по градиенту концентрации. Насыщенный солевой раствор «вытягивал» на себя всю воду из продуктов, тем самым позволяя им дольше храниться.