Материал: kompendium_po_fizike

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам
background image

81

через

выделенную

единичную

площадку

ориентированную

перпендикулярно

вектору

плотности

потока

.  

 

2

1

1

1

кг

J

м

с

gradC



вектор

градиента

концентрации

диффундирующего

вещества

вектор

градиента

направлен

в

сторону

возрастания

концентрации

в

декартовой

системе

координат

выражение

gradC



имеет

вид

:  

C

C

C

gradC

i

j

k

x

y

x

 

 



где

i

j

k

единичные

векторы

направленные

вдоль

осей

OX, OY, OZ. 

4

1

1

кг

gradC

м

.  

D

 – 

коэффициент

диффузии

зависит

от

температуры

и

свойств

диффундирующего

вещества

 

2

1

м

D

с

Таким

образом

вектор

плотности

потока

вещества

при

диффузии

направлен

в

сторону

противоположную

вектору

градиента

концентрации

диффундирующего

вещества

.  

В

медицинской

литературе

традиционно

принято

считать

что

вектор

градиента

концентрации

направлен

в

сторону

уменьшения

концентрации

вещества

В

дальнейшем

изложении

материала

мы

будем

придерживаться

этого

нетрадиционного

определения

направления

вектора

градиента

  (

еретичного

для

математической

теории

поля

в

рамках

которой

было

сформулировано

понятие

вектора

градиента

поля

). 

Если

имеет

место

одномерная

диффузия

т

.

е

перенос

вещества

осуществляется

вдоль

одной

оси

например

оси

ОХ

в

выбранной

системе

координат

то

уравнение

Фика

может

быть

представлено

в

скалярной

форме

x

dC

J

D

dx

 

Уравнение

Фика

адаптированное

к

условиям

переноса

вещества

через

биологическую

мембрану

посредством

простой

диффузии

имеет

вид

(

рисунок

 31): 

background image

82

0

0

0

0

(

)

(

)

m

mi

i

x

i

i

C

C

kC kC

C

k

J

D

D

D

D

C C

P C C

x

L

L

L

 

 

 

  

 

,  

где

С

i

и

  C

0

 – 

концентрации

диффундирующего

вещества

внутри

и

вне

клетки

С

mi

и

  C

m0

 – 

концентрации

диффундирующего

вещества

внутри

мембраны

на

границе

мембрана

внутреннее

содержимое

клетки

и

мембрана

внешняя

среда

. L 

толщина

мембраны

, D – 

коэффициент

диффузии

, k – 

коэффициент

распределения

молекул

диффундирующего

вещества

равный

отношению

концентрации

молекул

на

границе

мембраны

и

вне

ее

, P=Dk/L – 

проницаемость

мембраны

Проницаемость

мембраны

определяется

как

свойствами

диффундирующего

вещества

  (

коэффициентом

диффузии

), 

так

и

состоянием

мембраны

Электродиффузия

.

Диффузия

заряженных

частиц

ионов

через

мембраны

зависит

не

только

от

концентрационного

градиента

но

и

от

электрического

градиента

мембраны

то

есть

C

mi 

C

m0 

Мембрана

Наружная

среда

Цито

-

плазма

C

С

Рисунок

 31. 

Изменение

концентрации

вещества

перед

мембраной

в

мембране

и

за

ней

background image

83

от

напряженности

в

ней

электрического

поля

  (

E

grad

 





x

E

x

 

).  

В

связи

с

этим

перенос

ионов

может

происходить

в

направлении

противоположном

градиенту

концентрации

Совокупность

концентрационного

и

электрического

градиентов

называют

электрохимическим

градиентом

.  

Поток

вещества

при

электродиффузии

определяется

уравнением

Нернста

-

Планка

J

D gradC

grad

  

 







 (

векторная

форма

), 

x

C

J

D

x

x

 

 (

проекция

векторных

величин

на

ось

ОХ

),  

где

константа

электрического

переноса

Облегченная

диффузия

.

Путем

простой

диффузии

в

клетку

поступают

немногие

вещества

  (

например

кислород

СО

2

). 

Этот

процесс

протекает

очень

медленно

и

обусловлен

лишь

разностью

концентраций

этих

веществ

Особенностью

биомембран

является

их

избирательность

  (

селективность

по

отношению

ко

многим

переносимым

веществам

.  

Селективность

мембран

обусловлена

двумя

причинами

наличием

в

них

переносчиков

называемых

ионофорами

,

(

подвижных

и

фиксированных

)

и

каналов

.  

Облегченная

диффузия

 – 

процесс

транспорта

веществ

с

помощью

специальных

молекул

-

переносчиков

.

Например

на

внешней

стороне

мембраны

переносчик

соединяется

с

некоторым

веществом

и

проникает

через

мембрану

На

внутренней

стороне

мембраны

происходит

отделение

от

вещества

переносчика

который

возвращается

к

внешней

поверхности

мембраны

(

рисунок

 32). 

Рассмотренный

пример

облегченной

диффузии

относится

к

типу

облегченной

диффузии

с

подвижным

переносчиком

Второй

тип

облегченной

диффузии

 – 

диффузия

с

помощью

фиксированных

переносчиков

При

диффузии

с

фиксированным

переносчиком

транспорт

молекул

переносимого

вещества

происходит

с

помощью

неподвижных

молекул

-

background image

84

переносчиков

  (

молекула

переносимого

вещества

передается

от

одной

молекулы

переносчика

к

другой

как

по

эстафете

). 

Рисунок

 32. 

Механизм

облегчённой

диффузии

 (

перенос

ионов

калия

с

помощью

валиномицина

)

Фильтрация

.

Фильтрация

представляет

собой

перенос

молекул

растворителя

под

действием

градиента

давления

Таким

образом

причиной

и

движущей

силой

в

процессе

фильтрации

является

разность

давлений

Объем

растворителя

перенесенного

в

результате

фильтрации

определяется

формулой

Пуазейля

t

l

p

R

V

8

4

где

p

перепад

давления

на

расстоянии

l

вязкость

жидкости

R

радиус

поверхности

фильтрации

t

время

переноса

Осмос

.

Осмос

представляет

собой

диффузию

молекул

растворителя

через

полупроницаемую

пленку

из

области

с

меньшей

концентрацией

раствора

в

область

большей

концентрации

background image

85

Рисунок

 33. 

Механизм

осмоса

Явление

осмоса

наблюдается

когда

два

соляных

раствора

с

разными

концентрациями

разделены

полупроницаемой

мембраной

Полупроницаемая

мембрана

пропускает

молекулы

и

ионы

определенного

размера

но

служит

барьером

для

веществ

с

молекулами

большего

размера

Например

молекулы

воды

способны

проникать

через

мембрану

а

молекулы

растворенных

в

воде

солей

нет

Если

по

разные

стороны

полупроницаемой

мембраны

находятся

растворы

солей

с

разной

концентрацией

  (

рисунок

33), 

то

молекулы

воды

(

растворителя

будут

перемещаться

через

мембрану

из

слабо

концентрированного

раствора

в

более

концентрированный

вызывая

в

последнем

повышение

уровня

жидкости

Из

-

за

явления

осмоса

процесс

проникновения

воды

через

мембрану

наблюдается

даже

в

том

случае

когда

оба

раствора

находятся

под

одинаковым

внешним

давлением

Разница

в

высоте

уровней

двух

растворов

разной

концентрации

пропорциональна

силе

под

действием

которой

Рисунок

 34. 

Подъём

жидкости

под

действием

осмотического

давления

Источник: https://files.student-it.ru/previewfile/6211