Біологічні мембрани Дифузійний потенціал. Трансмембранний градієнт концентрації калію Транспорт по градієнту концентрації

Градієнт концентрації(від лат. gradi, gradu, gradus- хід, рух, перебіг, наближення; con- З, разом, спільно + centrum- центр) або концентраційний градієнт – це векторна фізична величина, Що характеризує величину та напрямок найбільшої зміни концентраціїбудь-якої речовини в середовищі. Наприклад, якщо розглянути дві області з різною концентрацією будь-якої речовини, розділені напівпроникною мембраною, то градієнт концентрації буде направлений з меншої концентрації речовини в область з більшою його концентрацією.

Активний транспорт- перенесення речовини через клітиннуабо внутрішньоклітинну мембрану(трансмембранний А.т.) або через шар клітин (трансцелюлярний А.т.), що протікає проти градієнта концентраціїз області низької концентрації у область високої, т. е. з витратою вільної енергії організму. У більшості випадків, але не завжди, джерелом енергії є енергія макроергічних зв'язків АТФ.

Різні транспортні АТФази, локалізовані в клітинних мембранах і що у механізмах перенесення речовин, є основним елементом молекулярних пристроїв - насосів, які забезпечують вибіркове поглинання і відкачування певних речовин (наприклад, електролітів) клітиною. Активний специфічний транспорт неелектролітів (молекулярний транспорт) реалізується за допомогою кількох типів молекулярних машин – насосів та переносників. Транспорт неелектролітів (моносахаридів, амінокислот та інших мономерів) може сполучатися з сімпортом- транспортом іншої речовини, рух якої проти градієнта концентрації є джерелом енергії для першого процесу. Симпорт може забезпечуватися іонними градієнтами (наприклад, натрію) без участі АТФ.

Пасивний транспорт- перенесення речовин по градієнту концентраціїз високої концентрації в область низької, без витрат енергії (наприклад, дифузія, осмос). Дифузія – пасивне переміщення речовини з ділянки більшої концентрації до ділянки меншої концентрації. Осмос – пасивне переміщення деяких речовин через напівпроникну мембрану (зазвичай дрібні молекули проходять, великі не проходять).

Існує три типи проникнення речовин у клітину через мембрани: проста дифузія, полегшена дифузія, активний транспорт.

Проста дифузія

При простий дифузії частинки речовини переміщуються через біліпідний шар. Напрямок простої дифузії визначається лише різницею концентрацій речовини з обох боків мембрани. Шляхом простої дифузії у клітину проникають гідрофобніречовини (O2,N2,бензол) і полярні маленькі молекули (CO2, H2O, сечовина). Не проникають полярні відносно великі молекули (амінокислоти, моносахариди), заряджені частинки (іони) та макромолекули (ДНК, білки).

Полегшена дифузія

Більшість речовин переноситься через мембрану за допомогою занурених до неї транспортних білків (білків-переносників). Усі транспортні білки утворюють безперервний білковий прохід через мембрану. За допомогою білків-переносників здійснюється як пасивний, і активний транспорт речовин. Полярні речовини (амінокислоти, моносахариди), заряджені частинки (іони) проходять через мембрани за допомогою полегшеної дифузії, за участю білків-каналів або білків-переносників. Участь білків-переносників забезпечує більш високу швидкість полегшеної дифузії порівняно з простою пасивною дифузією. Швидкість полегшеної дифузії залежить від ряду причин: від трансмембранного концентраційного градієнта переносимої речовини, від кількості переносника, який зв'язується з переносимою речовиною, від швидкості зв'язування речовини переносником на одній поверхні мембрани (наприклад, на зовнішній), від швидкості конформаційних змін у молекулі переносника, в результаті яких речовина переноситься через мембрану і вивільняється з іншого боку мембрани. Полегшена дифузія не потребує спеціальних енергетичних витрат за рахунок гідролізу АТФ. Ця особливість відрізняється полегшеною дифузією від активного трансмембранного транспорту.

Градієнт концентраціїабо концентраційний градієнт - це векторна фізична величина, що характеризує величину та напрямок найбільшої зміни концентрації будь-якої речовини в середовищі. Наприклад, якщо розглянути дві області з різною концентрацією будь-якої речовини, розділені напівпроникною мембраною, то градієнт концентрації буде направлений з меншої концентрації речовини в область з більшою його концентрацією.

Визначення

Градієнт концентрації спрямований шляхом l, що відповідає нормалі до ізоконцентраційної поверхні (напівпроникної мембрани). Значення концентраційного градієнта $\backslash nabla\; C$дорівнює відношенню елементарної зміни концентрації dCдо елементарної довжини колії dl :

$\backslash nabla\; C\; =\; \backslash frac(dC)(dl)$

При постійному значенні градієнта концентрації Cна довжині колії l :

$\backslash nabla\; C\; =\; \backslash frac(C\_1\; -\; C\_2)(l)$

Тут C 1і C 2- початкове та кінцеве значення концентрації на довжині шляху l(нормалі до ізоконцентраційної поверхні).

Одиницею виміру градієнта концентрації у Міжнародній системі одиниць (СІ) є величина −4 (моль/м 4 чи кг/м 4), і навіть її дольные чи кратні похідні.

Див. також

Напишіть відгук про статтю "Градієнт концентрації"

Література

• Антонов В. Ф., Черниш А. М., Пасічник В. І.Біофізика – М.: ВЛАДОС, 2000, С. 35. ISBN 5-691-00338-0
• Трифонов Є. В.– СПб.: 2011.

Уривок, що характеризує Градієнт концентрації

Я сказав йому про це. Переконайте, будь ласка, Леппіху, щоб він звернув увагу на те місце, де він спуститься вперше, щоб не помилитися і не потрапити до рук ворога. Потрібно, щоб він розумів свої рухи з рухами головнокомандувача.]
Повертаючись додому з Воронцова і проїжджаючи Болотною площею, П'єр побачив натовп біля Лобного місця, зупинився і зліз з дрожок. Це була розправа французького кухаря, звинуваченого в шпигунстві. Екзекуція щойно скінчилася, і кат відв'язував від кобили жалібно стогнав товсту людину з рудими бакенбардами, в синіх панчохах і зеленому камзолі. Інший злочинець, худенький і блідий, стояв одразу. Обидва, судячи з осіб, були французи. З перелякано болючим виглядом, подібним до того, який мав худий француз, П'єр проштовхався крізь натовп.
- Що це? Хто? За що? – питав він. Але увага натовпу – чиновників, міщан, купців, мужиків, жінок у салопах та шубках – так було жадібно зосереджено на те, що відбувалося на Лобному місці, що ніхто не відповідав йому. Товстий чоловік підвівся, насупившись, знизав плечима і, очевидно, бажаючи виразити твердість, став, не дивлячись навколо себе, одягати камзол; але раптом губи його затремтіли, і він заплакав, сам сердячись на себе, як плачуть дорослі сангвінічні люди. Натовп голосно заговорив, як здалося П'єру, – щоб заглушити в самій собі почуття жалю.
– Кухар чийсь княжий…
— Що, мусю, мабуть, російський соус кисел французові припав... оскомину набив, — сказав зморщений наказний, що стояв біля П'єра, коли француз заплакав. Наказний озирнувся довкола себе, мабуть, чекаючи на оцінку свого жарту. Дехто засміявся, дехто злякано продовжував дивитися на ката, який роздягав іншого.
П'єр засопів носом, зморщився і, швидко повернувшись, пішов назад до тремтіння, не перестаючи щось бурмотіти про себе в той час, як він ішов і сідав. Протягом дороги він кілька разів здригався і скрикував так голосно, що кучер питав його:
– Що накажете?
- Куди ж ти їдеш? - крикнув П'єр на кучера, що виїжджав на Луб'янку.
– До головнокомандувача наказали, – відповів кучер.

Градієнт концентрації

Градієнт концентрації

Градієнт концентрації(Від лат. gradi, gradu, gradus- хід, рух, перебіг, наближення; con- З, разом, спільно + centrum- центр) або концентраційний градієнт - це векторна фізична величина, що характеризує величину та напрямок найбільшої зміни концентрації будь-якої речовини в середовищі. Наприклад, якщо розглянути дві області з різною концентрацією будь-якої речовини, розділені напівпроникною мембраною, то градієнт концентрації буде направлений з меншої концентрації речовини в область з більшою його концентрацією.

Визначення

Градієнт концентрації спрямований шляхом l, що відповідає нормалі до ізоконцентраційної поверхні (напівпроникної мембрани). Значення концентраційного градієнта gradCдорівнює відношенню елементарної зміни концентрації dCдо елементарної довжини колії dl :

При постійному значенні градієнта концентрації Cна довжині колії l :

Тут C 1і C 2- початкове та кінцеве значення концентрації на довжині шляху l(нормалі до ізоконцентраційної поверхні).

Градієнт концентрації може бути причиною перенесення речовин, наприклад, дифузії. Дифузія здійснюється проти концентрації градієнта.

Одиницею виміру градієнта концентрації є величина м −2 , і навіть її дольные чи кратні похідні.

У науковій літературі (біології, хімії та ін.) досить часто цей термін зустрічається у значенні ступеня відмінності, тобто не векторної, а скалярної величини, що показує різницю концентрацій між двома обмеженими областями, що є грубою помилкою. У зв'язку з цим, говорячи, наприклад, про пасивний транспорт, вказують, що він здійснюється за градієнтом концентрації, маючи на увазі по різниці концентрацій речовини, але це змінює сенс терміну, і тому таке його трактування неправильне.

Див. також

Література

• Антонов В. Ф., Черниш А. М., Пасічник В. І.Біофізика – М.: ВЛАДОС, 2000, С. 35. ISBN 5-691-00338-0
• Трифонов Є.В.Психофізіологія людини, 14-те вид. – СПб.: 2011.

Wikimedia Foundation. 2010 .

Дивитись що таке "Градієнт концентрації" в інших словниках:

градієнт концентрації- - [А.С.Гольдберг. Англо-російський енергетичний словник. 2006 р.] Тематики енергетика загалом EN composition gradient …

градієнт концентрації- – різниця вмісту іонів K+, Na+, Ca2+ поза та всередині клітини (іонна асиметрія), що забезпечує утворення мембранного потенціалу та регуляцію біоефектів усередині клітин. Загальна хімія: підручник / А. В. Жолнін … Хімічні терміни

градієнт концентрації- koncentrації gradientas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. concentration gradient vok. Консентраціїgradient, m rus. градієнт концентрації, m pranc. gradient de la concentration, m … Fizikos terminų žodynas

градієнт концентрації домішки- - [А.С.Гольдберг. Англо-російський енергетичний словник. 2006 р.] Тематики енергетика загалом EN impurity gradient … Довідник технічного перекладача

відносний градієнт концентрації космічних променів- Відносний градієнт концентрації Вектор, спрямований у бік максимального збільшення концентрації космічних променів, модуль якого дорівнює відношенню похідної концентрації в цьому напрямку до величини концентрації. [ГОСТ 25645.104 84]… … Довідник технічного перекладача

Ця стаття про математичну характеристику; про спосіб заливання див: Градієнт (комп'ютерна графіка) … Вікіпедія

анімально-вегетативний градієнт- ембріологія тварин АНІМАЛЬНО ВЕГЕТАТИВНИЙ ГРАДІЄНТ – градієнт чутливості у ще не заплідненої яйцеклітини з вираженим анімальним та вегетативним полюсами (наприклад, у птахів при відмиранні яйцеклітини зміни відбуваються спочатку на… Загальна ембріологія: Термінологічний словник

Теорія нерівноважних макроскопічних процесів, тобто процесів, що виникають у системах, виведених із стану теплової (термодинамічної) рівноваги. До К. ф. можна віднести термодинаміку нерівноважних процесів. Велика Радянська Енциклопедія

Необоротне перенесення маси компонента суміші в межах однієї або дек. фаз. Здійснюється внаслідок хаотич. руху молекул (мол. дифузія), макроскопіч. руху всього середовища (конвективне перенесення), а в турбулентних потоках також в результаті ... Хімічна енциклопедія

МКБ 10 E … Вікіпедія

Зміст теми "Передача інформації за допомогою електричного збудження.":
1. Передача інформації у вигляді електричного збудження. Потенціал спокою.

3. Зміни позаклітинної концентрації калію (К).
4. Вплив глії на склад міжклітинного середовища. Гематоенцефалічний бар'єр.
5. Потенціал дії. Тимчасовий перебіг потенціалу дії. Реполяризація.
6. Слідові потенціали. Природа потенціалу впливу. Поріг та збудливість.
7. Провідність мембрани. Іонні струми під час потенціалу дії.
8. Кінетика іонних струмів під час збудження. Реєстрація мембранних струмів
9. Натрій (Na) та калієва (K) провідність під час потенціалу дії.
10. Інактивація натрієвого (Nа) – струму.

Дифузійний потенціал.Раніше було зазначено, що потенціал спокою є дифузійний потенціал іонівякі пасивно переміщаються через канали в мембрані. У стані спокою більшість відкритих каналів мембрани є калієвими (K)-каналами; отже, потенціал спокою у першому наближенні визначається трансмембранним градієнтом концентрації калію (K). На рис. 2.2 показано залежність виміряного потенціалу від позаклітинної концентрації калію (К).

Мал. 2.2. Залежність потенціалу спокою у м'язовому волокні жаби(Ордината) від позаклітинної концентрації калію (K) (абсцису, логарифмічна шкала). Гуртками відзначені значення мембранного потенціалу, виміряного при різних концентраціях іонів калію [К+]0. Пряма лінія відбиває співвідношення між калієвим рівноважним потенціалом і [К+]0, розраховане за рівнянням Нернста. Коефіцієнт 58 враховує знижену температуру тіла жаби.

Після зсуву позаклітинного концентрації К+внутрішньоклітинна концентрація спочатку зберігається на колишньому рівні, і протягом цього короткого проміжку часу вимірюваний калієвий (K)-потенціал повинен відповідно до рівняння Нернста змінюватися пропорційно до логарифму [К+]0. Цей калієвий (K)-потенціал. Е(k), позначений червоною лінією на рис. 2.2. Реєстровані значення потенціалу спокою у верхньому діапазоні дуже близькі до Е(k), однак у міру зниження [К+]0 вони стають менш негативними в порівнянні з Е(k). Цю розбіжність слід віднести за рахунок відносно більшого вкладу натрієвої проникності PNa за низького значення [К+]0. Відхилення значень потенціалу спокою від Е(k), що реєструються, зникає, якщо припинити надходження натрію (Na) , наприклад, шляхом заміщення позаклітинного натрію (Na) таким нездатним до дифузії катіоном, як холін. Звідси випливає, що нормальний потенціал спокою приблизно на 10 мВ є більш позитивним, ніж Е(k).

Що таке концентрація? Якщо говорити у сенсі, це співвідношення обсягу речовини і кількості розчинених у ньому частинок. Дане визначення зустрічається у найрізноманітніших галузях науки, починаючи від фізики та математики, закінчуючи філософією. В даному випадку йдеться про вживання поняття «концентрація» в біології та хімії.

Градієнт

У перекладі з латині, це слово означає «зростаючий» або «крокучий», тобто це якийсь «вказівний перст», який показує напрямок, у якому зростає будь-яка величина. Як приклад можна використовувати, наприклад, висоту над рівнем моря в різних точках Землі. Її (висоти) градієнт у кожній окремій точці на карті показуватиме вектор збільшення значення до досягнення найкрутішого підйому.

У математиці цей термін виник лише наприкінці дев'ятнадцятого століття. Його ввів Максвел і запропонував свої позначення цієї величини. Фізики використовують це поняття для того, щоб описувати напруженість електричного або гравітаційного поля, зміну потенційної енергії.

Не лише фізика, а й інші науки використовують термін «градієнт». Це поняття може відбивати як якісну, і кількісну характеристику речовини, наприклад, концентрацію чи температуру.

Градієнт концентрації

Тепер відомо, а що таке концентрація? Це яка показує частку речовини, що міститься у розчині. Вона може вираховуватися у вигляді відсотка від маси, кількості молей чи атомів у газі (розчині), частки від цілого. Такий широкий вибір дає змогу висловити практично будь-яке співвідношення. І не лише у фізиці чи біології, а й у метафізичних науках.

А загалом, градієнт концентрації є одночасно дає характеристику кількості і напрямку зміни речовини в середовищі.

Визначення

Чи можна підрахувати градієнт концентрації? Формула його є зокрема між елементарною зміною концентрації речовини і довгою шляху, який доведеться подолати речовину для досягнення рівноваги між двома розчинами. Математично це виражається формулою = dC/dl.

Наявність градієнта концентрації між двома речовинами є причиною їхнього змішування. Якщо частинки рухаються з області з більшою концентрацією меншу, це називається дифузією, і якщо з-поміж них перебуває полупроницаемое перешкода - осмосом.

Активний транспорт

Активний і пасивний транспорт відбиває рух речовин через мембрани чи верстви клітин живих істот: найпростіших, рослин, тварин і людини. Цей процес проходить з використанням теплової енергії, тому що перехід речовин здійснюється проти концентрації градієнта: від меншого до більшого. Найчастіше для здійснення такої взаємодії використовується аденозинтрифосфат або АТФ - молекула, яка є універсальним джерелом енергії 38 Джоулів.

Існують різні форми АТФ, які розміщуються на мембранах клітин. Енергія, укладена у яких, вивільняється під час перенесення молекул речовин через звані насоси. Це пори у клітинній стінці, які вибірково поглинають та відкачують іони електролітів. Крім того, існує така модель транспорту, як сімпорт. У цьому випадку одночасно транспортується дві речовини: одна виходить із клітини, а інша до неї потрапляє. Це дозволяє заощадити енергію.

Везикулярний транспорт

Активний і включає транспортування речовин у вигляді бульбашок або везикул, тому процес називається, відповідно, везикулярним транспортом. Виділяють два його види:

1. Ендоцитоз. І тут бульбашки утворюються з мембрани клітин у процесі поглинання нею твердих чи рідких речовин. Везикули можуть бути гладкими або мати облямівку. Такий спосіб харчування мають яйцеклітини, білі клітини крові та епітелій нирок.
2. Екзоцитоз. З назви, це процес протилежний попередньому. Усередині клітини є органели (наприклад, апарат Гольджі), які «упаковують» речовини у бульбашки, а вони надалі виходять через мембрану.

Пасивний транспорт: дифузія

Рух градієнтом концентрації (від високої до низької) відбувається без використання енергії. Виділяють два варіанти пасивного транспорту – це осмос та дифузія. Остання буває простою та полегшеною.

Основна відмінність осмосу в тому, що переміщення молекул відбувається через напівпроникну мембрану. А дифузія за градієнтом концентрації відбувається у клітинах, що мають мембрану з двома шарами ліпідних молекул. Напрямок транспорту залежить лише від кількості речовини з обох боків мембрани. Цим способом клітини проникають полярні молекули, сечовина, і можуть проникнути білки, цукру, іони і ДНК.

У процесі дифузії молекули прагнуть заповнити весь доступний обсяг, а так само вирівняти концентрацію по обидва боки мембрани. Буває так, що мембрана непроникна або погано проникна речовини. В цьому випадку на неї впливають осмотичні сили, які можуть як перешкоду зробити щільніше, так і розтягнути її, збільшивши розміри насосних каналів.

Полегшена дифузія

Коли градієнт концентрації не є достатньою основою транспорту речовини, на допомогу приходять специфічні білки. Вони розташовуються на мембрані клітин так само, як і молекули АТФ. Завдяки ним може здійснюватися як активний, так і пасивний транспорт.

Таким способом через мембрану проходять великі молекули (білки, ДНК), полярні речовини, до яких належать амінокислоти та цукри, іони. Завдяки участі білків швидкість транспорту збільшується у кілька разів, порівняно із звичайною дифузією. Але це прискорення залежить від деяких причин:

• градієнта речовини всередині та поза клітиною;
• кількості молекул-переносників;
• швидкості зв'язування речовини та переносника;
• швидкість зміни внутрішньої поверхні мембрани клітини.

Попри це, транспорт здійснюється завдяки роботі білків-переносників, а енергія АТФ у разі не використовується.

Основними рисами, що характеризують полегшену дифузію, є:

1. Швидке перенесення речовин.
2. Вибірковість транспорту.
3. Насичуваність (коли всі білки зайняті).
4. Конкуренція між речовинами (через спорідненість із білком).
5. Чутливість до специфічних хімічних агентів – інгібіторів.

Осмос

Як згадувалося, осмос - це рух речовин по градієнту концентрації через напівпроникну мембрану. Найбільш повно процес осмосу описує принцип Лешательє-Брауна. У ньому говориться, що й на систему, що у рівновазі, вплинути ззовні, вона прагнутиме повернутися у колишній стан. Вперше з явищем осмосу зіткнулися в середині XVIII століття, але тоді йому не надали особливого значення. Дослідження феномена почалися лише через сто років.

Найважливішим елементом у феномені осмосу є напівпроникна мембрана, яка пропускає через себе лише молекули певного діаметра чи властивостей. Наприклад, у двох розчинах з різною концентрацією через перешкоду проходитиме тільки розчинник. Це продовжуватиметься доти, доки концентрація з обох боків мембрани не стане однаковою.

Осмос грає значну роль життя клітин. Це явище дозволяє проникати у них лише тим речовин, які необхідні підтримки життя. Червона клітина крові має мембрану, що пропускає тільки воду, кисень і поживні речовини, але білки, які утворюються всередині еритроциту, не можуть потрапити назовні.

Явище осмосу знайшло практичне застосування у побуті. Навіть не підозрюючи про це, люди в процесі засолювання їжі використовували саме принцип руху молекул градієнтом концентрації. Насичений сольовий розчин «витягував» на себе всю воду з продуктів, тим самим дозволяючи їм довше зберігатися.