Излучение и поглощение энергии атомами молекулами. Особенности излучения и поглощения энергии атомами и молекулами

Размещено на http://www.allbest.ru/

ИЗЛУЧЕНИЕ И ПОГЛОЩЕНИЕ ЭНЕРГИИ АТОМАМИ МОЛЕКУЛАМИ. ОСОБЕННОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ И ПОГЛОЩЕНИЯ ЭНЕРГИИ АТОМАМИ И МОЛЕКУЛАМИ

Атом и молекула могут находиться в стационарных энергетических состояниях. В этих состояниях они не излучают и не поглощают энергии. Энергетические состояния схематически изображают в виде уровней. Самый нижний уровень энергии -- основной -- соответствует основному состоянию. При квантовых переходах атомы и молекулы скачкообразно переходят из одного стационарного состояния в другое, с одного энергетического уровня на другой. Изменение состояния атомов связано с энергетическими переходами электронов. В молекулах энергия может изменяться не только в результате электронных переходов, но и вследствие изменения колебания атомов и переходов между вращательными уровнями. При переходе с более высоких энергетических уровней на нижние атом или молекула отдает энергию, при обратных переходах -- поглощает. Атом в основном состоянии способен только поглощать энергию. Различают два типа квантовых переходов:

1) без излучения или поглощения электромагнитной энергии атомом или молекулой. Такой безызлучателышй переход происходит при взаимодействии атома или молекулы с другими частицами, например в процессе столкновения. Различают неупругое столкновение, при котором изменяется внутреннее состояние атома и осуществляется безызлучательный переход, и упругое -- с изменением кинетической энергии атома или молекулы, но с сохранением внутреннего состояния;

2) с излучением или поглощением фотона. Энергия фотона равна разности энергий начального и конечного стационарных состояний атома или молекулы:

Формула (выражает зеком сохранения энергии. В зависимости от причины, вызывающей квантовый переход с испусканием фотона, различают два вида излучения. Если эта причина внутренняя и возбужденная частица самопроизвольно переходит на нижний энергетический уровень, то такое излучение называют спонтанным. Другое излучение вынужденное, или индуцированное Оно возникает при взаимодействии фотона с возбужденной частицей, если энергия фотона равна разности уровней энергий. В результате вынужденного квантового перехода от частицы будут распространяться в одном направлении два одинаковых фотона: один -- первичный, вынуждающий, а другой -- вторичный, испущенный. Излучаемая атомами или молекулами энергия формирует спектр испускания, а поглощаемая -- спектр поглощения. Интенсивность спектральных линий определяется числом одинаковых переходов, происходящих в секунду, и поэтому зависит от количества излучающих (поглощающих) атомов и вероятности соответствующего перехода. Квантовые переходы осуществляются не между любыми энергетическими уровнями. Установлены правила отбора, или запрета, формулирующие условия, при которых переходы возможны и невозможны или маловероятны. Энергетические уровни большинства атомов и молекул достаточно сложны. Структура уровней и, следовательно, спектров зависит не только от строения одиночного атома или молекулы, но и от внешних причин. Спектры являются источником различной информации. Прежде всего, по виду спектра можно идентифицировать атомы и молекулы, что входит в задачи качественного спектрального анализа. По интенсивности спектральных линий определяют количество излучающих (поглощающих) атомов -- количественный спектральный анализ. При этом сравнительно легко находят примеси в концентрациях 10~5--10~б% и устанавливают состав образцов очень малой массы -- до нескольких десятков микрограммов. По спектрам можно судить о строении атома или молекулы, структуре их энергетических уровней, подвижности отдельных частей больших молекул и т. п. Зная зависимость спектров от полей, воздействующих на атом или молекулу, получают информацию о взаимном расположении частиц, ибо воздействие соседних атомов (молекул) осуществляется посредством электромагнитного поля. Изучение спектров движущихся тел позволяет на основании оптического эффекта Доплера определить относительные скорости излучателя и приемника излучения. В зависимости от энергии (частоты) фотона, испускаемого или поглощаемого атомом (или молекулой), классифицируют следующие виды спектроскопии: радио-, инфракрасная, видимого излучения, ультрафиолетовая и рентгеновская1, о типу вещества (источника спектра) различают атомные, молекулярные спектры и спектры кристаллов.

ОПТИЧЕСКИЕ АТОМНЫЕ СПЕКТРЫ

Атомными спектрами называют как спектры испускания, так и спектры поглощения, которые возникают при квантовых переходах между уровнями свободны или слабовзаимодействующих атомов. Под оптическими атомными спектрами будем понимать те, которые обусловлены переходами между уровнями внешних электронов с энергией фотонов. Сюда относятся ультрафиолетовая, видимая и близкая инфракрасная (до микрометров) области спектра, формулу для частоты света, излучаемого (поглощаемого) атомом водорода

(Z =1):

В спектре можно выделить группы линий, называемые спектральными серия. Каждая серия применительно к спектрам испускания соответствует переходам с различных уровней на один и тот же конечный. Может показаться, что спектр атомарного водорода не ограничен со стороны малых частот, так как энергетические уровни по мере увеличения п становятся сколь угодно близкими. Однако на самом деле вероятность перехода между такими уровнями столь мала, что практически эти переходы не наблюдаются. Выражение для ионизационного потенциала можно получить из, считая

= 1 и ;

Для атомного спектрального анализа используют как спектры испускания (эмиссионный спектральный анализ), так и спектры поглощения (абсорбционный атомный спектральный анализ). В медицинских целях эмиссионный анализ служит в основном для определения микроэлементов в тканях организма, небольшого количества атомов металлов в консервированных продуктах с гигиенической целью, некоторых элементов в трупных тканях для целей судебной медицины и т. п.

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ СПЕКТРЫ

Молекулярные спектры (испускания и поглощения) возникают при квантовых переходах молекул с одного энергетического уровня на другой и состоят из совокупности более или менее широких полос, которые представляют собой тесно расположенные линии. Сложность молекулярных спектров по сравнению с атомными обусловлена большим разнообразием движений и, следовательно, энергетических переходов в молекуле. Находим частоту, излучаемую или поглощаемую молекулой:

здесь один или два штриха относятся, как принято в молекулярной спектроскопии, к верхнему и нижнему уровням соответственно. Следует иметь в виду, что > > Если ДЈ^д = 0 и = 0, а то получают состоящие из отдельных линий чисто вращательные молекулярные спектры, которым отвечают небольшие частоты, они наблюдаются в далекой инфракрасной области и особенно в микроволновой (СВЧ). Длина волны порядка 0, 1--1 мм. если = 0, а, то обычно одновременно и, при этом возникает колебательно-вращательный спектр. Он состоит из колебательных полос, распадающихся при достаточном разрешении спектрального прибора на отдельные вращательные линии.

Электронно-колебательно-вращательные спектры испускания и поглощения наблюдают в видимой и ультрафиолетовой областях. Специфичность и индивидуальность спектров отдельных молекул лежит в основе качественного и количественного спектрального анализа. Молекулярные спектры позволяют исследовать не только строение молекул, но и характер межмолекулярного взаимодействия. Молекулярные спектры поглощения.

ЛАЗЕРЫ

В 1960 г. был создан первый квантовый генератор видимого диапазона излучения -- лазер с рубином в качестве рабочего вещества. Этот оптический квантовый генератор (ОКГ) создает импульсное излучение с длиной волны 694, 3 нм и мощностью в импульсе 1 МВт. Возбуждение, или, по терминологии квантовой электроники, накачка, осуществляется специальной лампой.

В том же году был создан газовый гелий-неоновый лазер, возбуждение в котором возникало при электрическом разряде. Излучающими являются атомы неона, атомы гелия играют вспомогательную роль. При электрическом разряде часть атомов неона переходит с основного уровня 1 на возбужденный 3. Для чистого неона время жизни на этом уровне мало и атомы переходят на уровни 1 или 2, реализуется больцмановское распределение. Для создания инверсной населенности нужно каким-то образом увеличить населенность уровня 3 и уменьшить на уровне 2. Атомы гелия способствуют увеличению населенности уровня 3. Первый возбужденный уровень гелия совпадает с уровнем 3 неона, поэтому при соударении возбужденного атома гелия с невозбужденным атомом неона происходит передача энергии. Для разгрузки уровня 2 подбирают такой размер газоразрядной трубки, чтобы при соударении с ее стенками атом неона отдавал энергию, переходя с уровня 2 на 1. Так обеспечивается стационарная инверсная населенность уровней 2 и, 5 неона.

Основным конструктивным элементом гелий-неонового лазера является газоразрядная трубка, обычно кварцевая, диаметром около 7 мм. В трубке при давлении около 150 Па находится смесь гелия и неона (гелия приблизительно в 10 раз больше, чем неона). В трубку вмонтированы электроды для создания газового разряда. На концах трубки расположены плоскопараллельные зеркала, одно из них полупрозрачное. Фотоны, возникающие при вынужденном излучении, в зависимости от направления их движения либо вылетают из боковой поверхности трубки, либо, многократно отражаясь от зеркал, сами вызывают вынужденные переходы. Таким образом, пучок, перпендикулярный зеркалам, будет иметь наибольшее развитие и выходит наружу через полупрозрачное зеркало.

Гелий-неоновый лазер может работать на 30 длинах волн в области видимого и инфракрасного диапазонов. Зеркала делают с многослойными покрытиями, и вследствие интерференции создается необходимый коэффициент отражения для заданной длины волны.

Применение лазеров основано на свойствах их излучения: строгая монохроматичность (?л?0, 01 нм), достаточно большая мощность, узость пучка и когерентность. В медицине можно указать два основных направления: 1) основано на свойстве лазеров разрушать биологические ткани, что совместно с коагуляцией белка позволяет производить некоторые бескровные рассечения.

В этом направлении можно отметить следующие применения: безоперационное лечение отслойки, сетчатки, для этой цели создан специальный лазерный прибор -- офтальмокоагулятор, световой бескровный нож в хирургии, который не нуждается в стерилизации; лечение глаукомы посредством <прокалывания> лазером отверстий размером 50--100 мкм для оттока внутриглазной жидкости; уничтожение раковых клеток; разрушение дентина при лечении зубов. 2)связано с голографией. На основе гелий-неонового лазера с использованием волоконной оптики разработаны tacmpoatonu, которые позволяют голографически формировать объемное изображение внутренней полости желудка. Гелий-неоновый лазер находит применение для лечения ряда заболеваний (трофические язвы, ишемическая болезнь сердца и ДР).

ЭЛЕКТРОННЫЙ ПАРАМАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС И ЕГО МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИМЕНЕНИЯ

У атома, помещенного в магнитное поле, спонтанные переходы между подуровнями одного и того же уровня маловероятны. Однако такие переходы осуществляются индуцировано под влиянием внешнего электромагнитного поля. Необходимым условием является совпадение частоты электромагнитного поля с частотой фотона, соответствующего разности энергий между расщепленными подуровнями. При этом можно наблюдать поглощение энергии электромагнитного поля, которое называют магнитным резонансом. В зависимости от типа частиц -- носителей магнитного момента - различают электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) и ядерный магнитный резонанс (ЯМР). ЭПР происходит в веществах, содержащих парамагнитные частицы: молекулы, атомы, ионы, радикалы, обладающие магнитным моментом, обусловленным электронами. Возникающее при этом явление Зеемана объясняют расщеплением электронных уровней (отсюда название резонанса -- "электронный"). Наиболее распространен ЭПР на частицах с чисто спиновым магнитным моментом (в зарубежной литературе такую разновидность ЭПР иногда называют электронным спиновым резонансом). Получаем следующее условие резонансного поглощения энергии:

Магнитный резонанс наблюдается, если на частицу одновременно действуют постоянное поле индукции и электромагнитное поле с частотой v. Из условия понятно, что обнаружить резонансное поглощение можно двумя путями: либо при неизменной частоте плавно изменять магнитную индукцию, либо при неизменной магнитной индукции плавно изменять частоту. Технически более удобным оказывается первый вариант. Предположим, что условие выполняется. Для поглощения энергии необходимо, чтобы у атомов вещества была большая населенность нижних подуровней, чем верхних. В противном случае будет преобладать индуцированное излучение энергии. При электронном парамагнитном резонансе наряду с поглощением энергии и увеличением населенности верхних подуровней происходит и обратный процесс -- безызлучательные переходы на нижние подуровни, энергия частицы передается решетке. Процесс передачи энергии частиц решетке называют спи-решеточной релаксацией, он характеризуется временем . По соотношению Гейзенберга это приводит к уширению уровня.

Уширение линий ЭПР зависит также от взаимодействия спинов электронов (спин-спиновое взаимодействие) и от других взаимодействий парамагнитных частиц. Разные типы взаимодействия влияют не только на ширину линии поглощения, но и на ее форму.

Поглощенная при ЭПР энергия, т. е. интегральная (суммарная) интенсивность линии, при определенных условиях пропорциональна числу парамагнитных частиц. Отсюда следует, что по измеренной интегральной интенсивности можно судить о концентрации этих частиц.

Важными параметрами, характеризующими синглетную (одиночную) линию поглощения, являются v, , (положение точки резонанса), соответствующие условию. При постоянной частоте v значение зависит от фактора. В простейшем случае g-фактор позволяет определить характер магнетизма системы (спиновый или орбитальный). Если же электрон связан с атомом, входящим в состав твердой кристаллической решетки или какой-либо молекулярной системы, то на него будут влиять сильные внутренние поля. Измеряя g-фактор, можно получить информацию о полях и внутримолекулярных связях. Одно из медико-биологических применений метода ЭПР заключается в обнаружении и исследовании свободных радикалов. Так, например, спектры ЭПР облученных белков позволили объяснить механизм образования свободных радикалов и в связи с этим проследить изменения первичных и вторичных продуктов радиационного поражения. ЭПР широко используют для изучения фотохимических процессов, в частности фотосинтеза. Исследуют канцерогенную активность некоторых веществ.

С санитарно-гигиенической целью метод ЭПР используют для определения концентрации радикалов в воздушной среде.

Сравнительно недавно специально для изучения биологических молекул был предложен метод спин-меток, сущность которого состоит в том, что с молекулой исследуемого объекта связывается парамагнитное соединение с хорошо известной структурой. По спектрам ЭПР находят положение такой спинетки в молекуле. Вводя метки в различные части молекул, можно установить расположение различных групп атомов, их взаимодействия, изучать природу и ориентацию химических связей и обнаруживать молекулярное движение. Присоединение к молекуле не одной, а нескольких спин-меток, например двух, позволяет получить сведения о расстояниях меченых групп и их взаимной ориентации.

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕМБРАНАХ

атомный лазер мембрана ион

Важней частью клетки являются биологические мембраны. Он» ограничивают «метку от окружающей среды, защищают ее от вредных внешних воздействий, управляют обменом веществ между клеткой и ее окружением, способствуют генерации электрических потенциалов, участвуют» синтезе универсальных аккумуляторов энергии АТФ в митохондриях и т. д. По существу, мембраны формируют структуру клетки и осуществляют ее функции. Многие заболевания (атеросклероз, отравления и др.) связаны с нарушением структуры и функции мембран.

СТРОЕНИЕ И МОДЕЛИ МЕМБРАН

Мембраны окружают все клетки (плазматические или наружные клеточные мембраны). Без мембраны содержимое клетки просто бы <растеклось>, диффузия привела бы к термодинамическому равновесию, что означает отсутствие жизни. Можно сказать, что первая клетка появилась тогда, когда она смогла отгородиться от окружающей среды мембраной. Внутриклеточные мембраны подразделяют клетку на ряд замкнутых отсеков (компартаментов), каждый из них выполняет определенную функцию. Толщина мембран порядка нескольких нанометров, поэтому ее нельзя увидеть в оптический микроскоп, но можно рассмотреть в электронный микроскоп. Основу структуры любой мембраны представляет двойной липидный слой (в значительной степени фосфолипиды). Молекулы липидов, образующие мембрану, являются амфипатическими соединениями, т. е. состоят из двух функционально различных частей: полярной "головки" и неполярного гидрофобного "хвоста". Двойной липидный слой образуется из двух монослоев липидов так, что гидрофобные <хвосты> обоих слоев направлены внутрь. При этом обеспечивается наименьший контакт гидрофобных участков молекул с водой (Однако такое представление о структуре мембраны не давало ответов ни на вопрос о расположении белка в мембране, а некоторых мембранах его больше половины по массе, ни на вопрос о проницаемости мембран для гидрофильных частиц. В дальнейшем было высказано еще множество гипотез о строении биологических мембран, однако ни одна не стала общепринятой. В настоящее время наибольшее распространение имеет предложенная в 1972 г. Синджером и Николсоном жидко-мозаичная модель, в основе которой лежит всё та же липидная бислойная мембрана. Эта фосфолипидная основа представляет собой как бы двумерный растворитель, в котором плавают более или менее погруженные белки. За счет этих белков полностью или частично осуществляются специфические функции мембран - проницаемость, активный перенос через мембрану, генерация электрического потенциала и т.д. Мембраны не являются неподвижными, <спокойными> структурами. Липиды и белки обмениваются местами и перемещаются как вдоль плоскости мембраны - латеральная диффузия, так и поперек ее -- так называемый <флип-флоп>. Латеральной диффузии соответствует высокая подвижность липидов, а <флип-флопу> - низкая, т. е. обмен местами липидов, находящихся на разных сторонах мембраны, является редким процессом. Уточнение строения биомембраны и изучение ее свойств оказалось возможным при использовании физико-химических моделей мембраны (искусственные мембраны). Наибольшее распространение получили три такие модели. Рассмотрим первую модель - монослои фосфолипидов на границе раздела вода - воздух или вода - масло. На таких границах молекулы фосфолипидов расположены так, что гидрофильные головки находятся в воде, а гидрофобные <хвосты> - в воздухе или в масле. Если постепенно уменьшать площадь, занимаемую монослоем, то, в конце концов удастся получить монослой, в котором молекулы расположены так же плотно, как и в одном из бислоев мембраны Второй широко распространенной моделью биомембраны являются липосомы. Это мельчайшие пузырьки (везикулы), состоящие из билипидной мембраны и полученные обработкой смеси воды и фосфолипидов ультразвуком.

Липосомы представляют собой как бы биологическую мембрану, полностью лишенную белковых молекул. На липосомах часто проводятся эксперименты по изучению влияния различных факторов, например состава фосфолипидов, на свойства мембраны или, наоборот, влияния мембранного окружения на свойства встраиваемых белков. Третьей моделью, позволившей изучать некоторые свойства биомембран прямыми методами, была билипидная (бислойная липидная) мембрана (БЛМ).

Впервые такая модельная мембрана была создана в 1962 г. П. Мюллером с сотрудниками. Они заполнили отверстие в тефлоновой перегородке, разделяющей два водных раствора, фосфолипидом, растворенным в гептане. После того как растворитель и излишки липида растекаются по тефлонов, в отверстии образуется бислой толщиной несколько нанометров и диаметром около 1 мм. Расположив по обе стороны мембраны два электрода, можно измерить сопротивление мембраны или генерируемый на ней потенциал.

Если исходно по разные стороны перегородки поместить различные по химическому составу растворы, то можно изучать проницаемость мембраны для различных агентов. Мембраны выполняют две важные функции: матричную, т е. являются матрицей, основой для удержания белков, выполняющих разные функции, и барьерную - защищают клетку и отдельные компартаменты от проникновения нежелательных частиц. Если эти функции мембран нарушаются, то происходит изменение нормального функционирования клеток и, как следствие, заболевание организма.

НЕКОТОРЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ПАРАМЕТРЫ МЕМБРАН

Измерение подвижности молекул мембраны и диффузии частиц через мембрану свидетельствует о том, что билипидный слой ведет себя подобно жидкости. С другой стороны, мембрана есть упорядоченная структура. Эти два фактора заставляют думать, что фосфолипиды в мембране при ее естественном функционировании находятся в жидкокристаллическом состоянии. Жидкостные свойства мембраны подтверждаются методами ЭПР и ЯМР Вязкость липидного слоя мембран приблизительно на два порядка выше вязкости воды, она равна 30-100 мПа-с, что соответствует примерно вязкости растительного масла. Поверхностное натяжение на 2-3 порядка ниже (0, 03-1 мН/м), чем у воды. При изменении температуры в мембране можно наблюдать фазовые переходы: плавление липидов при нагревании и кристаллизацию при охлаждении. Фазовые переходы связаны с изменением энергии и поэтому могут быть обнаружены, в частности, по увеличению теплоемкости с при изменении температуры; Жидкокристаллическое состояние бислоя имеет меньшую вязкость и большую растворимость различных веществ, чем твердое состояние. Конформация (структура) молекул в жидком и твердом состояниях различна, в чем можно убедиться при рентгеноструктурном В жидкой фазе молекулы фосфолипидов могут образовывать полоски (<кинки>), в которые способны внедряться молекулы диффундирующего вещества. Перемещение <кинка> в этом случае будет приводить к диффузии молекулы поперек мембраны Двойной фосфолипидный слой уподобляет мембрану конденсатору, электроемкость 1 мембраны составляет 5-13 нФ.

ПЕРЕНОС МОЛЕКУЛ (АТОМОВ) ЧЕРЕЗ МЕМБРАНЫ

Важным элементом функционирования мембран является их способность пропускать или не пропускать молекулы (атомы) и ионы Существенно, что вероятность такого проникновения частиц зависит как от направления их перемещения, например в клетку или из клетки, так и от разновидности молекул и ионов. Явления переноса-необратимые процессы, в результате которых в физической системе происходит пространственное перемещение (перенос) массы, импульса, энергии, заряда или какой-либо другой физической величины. К явлениям переноса относят диффузию (перенос массы вещества), вязкость (перенос импульса), теплопроводность (перенос энергии), электропроводность (перенос электрического заряда). Наиболее существенные для биологических мембран явления: перенос вещества и перенос заряда.

Отношение потока к площади площадка, через которую он проходят, называется плотностью потока:

Произведение массы молекулы на их концентрацию есть массовая концентрация (отношение массы данного компонента молекул к объему):

;

Это уравнение диффузии, которое обычно записывают в виде (уравнения Фика) Знак <-> показывает, что суммарная плотность потока вещества при диффузии направлена в сторону уменьшения концентрации (в сторону, противоположную градиенту концентрации), D - коэффициент диффузии, применительно к рассмотренному примеру диффузии в жидкости он равен единица коэффициента диффузии 1 м²/с.

Явления переноса относятся к пассивному транспорту. Пассивный транспорт не связан с затратой химической энергии, он осуществляется в результате перемещения частиц в сторону меньшего электрохимического потенциала: диффузия молекул и ионов в направлении меньшей их концентрации, перемещение ионов в соответствии с направлением силы, действующей на них со стороны электрического поля. Простая диффузия через липидный слой, которая в живой клетке обеспечивает прохождение кислорода и углекислого газа, ряда лекарственных в-в и ядов протекает достаточно медленно и не может снабдить клетку в нужном количестве питательными веществами. Поэтому есть и иные механизмы пассивного переноса вещества в мембране, к ним относится диффузия через канал (пору) и облегченная диффузия (в комплексе с переносчиком).

Порой или каналом называют участок мембраны, включающей белковые молекулы и липиды, который образует в мембране проход. Этот проход допускает проникновение ч/з мембрану не только малых молекул, но и более крупных ионов. Диффузия ч/з поры также описывается диффузионными уравнениями, однако наличие пор увеличивает проницаемость. Каналы могут проявлять селективность(избирательность) по отношению к разным ионам, это проявится и в различии проницаемости для разных ионов. Облегченная диффузия - это перенос ионов специальными молекулами-переносчиками. Транспорт с помощью переносчиков может осуществляться и в варианте эстафетной передачи. В этом случае молекулы-переносчики образуют временную цепочку поперек мембраны и передают друг другу диффундирующую молекулу. Наряду с пассивным транспортом в мембранах клетки происходит перенос молекул и ионов в сторону большего электрохимического потенциала (молекулы переносятся в область большей их концентрации, ионы - против силы, Действующей на них со стороны электрического поля). Этот перенос осуществляется за счет энергии и не является диффузией - активный транспорт. Системы мембран, способствующие созданию градиентов ионов К* и Na⁺, получили название натрий-калиевых насосов. Натрий-калиевые насосы входят в состав цитоплазматических мембран, они работают за счет энергии гидролиза молекул АТФ с образованием молекул АДФ и неорганического фосфата (Ф_н):

АТФ = АДФ + Ф_н.

Натрий-калиевый насос работает обратимо: градиенты концентраций ионов способствуют синтезу молекул АТФ из молекул АДФ и Ф_н: АДФ + Ф_н = АТФ. Работа, которая совершается при переносе одного моля вещества из области с меньшей концентрацией с_1i данного компонента в область с большей концентрацией c_2i, может быть найдена как изменение энергии Гиббса или изменение химического потенциала

Натрий-калиевый насос переносит из клетки во внешнюю среду 3иона натрия в обмен на перенос 2х ионов калия внутрь клетки. При этом создается и поддерживается разность потенциалов на мембране, внутренняя часть клетки имеет отрицательный заряд.

УРАВНЕНИЕ НЕРНСТА-ПЛАНКА. ПЕРЕНОС ИОНОВ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНЫ

На мембране существует разность потенциалов, следовательно, в мембране имеется электрическое поле. Оно оказывает влияние на диффузию заряженных частиц (ионов и электронов). Между напряженностью поля и градиентом потенциала существует соотношение:

Заряд иона равен Z_e. На один ион действует сила сила, действующая на 1 моль ионов, равна

где F--постоянная Фарадея, F = еN_A. Скорость направленного движения ионов пропорциональна действующей силе: Поток ионов где с- молярная концентрация ионов. Плотность потока найдем:

=

В общем случае перенос ионов определяется двумя факторами: неравномерностью их распределения, т. е. градиентом концентрации, и воздействием электрического поля:

-уравнение Нернста --Планка.

Поверхностная мембрана клетки не одинаково проницаема для разных ионов. Кроме того, концентрация каких-либо определенных ионов различна по разные стороны мембраны, внутри клетки поддерживается наиболее благоприятный состав ионов. Эти факторы приводят к появлению в нормально функционирующей клетке разности потенциалов между цитоплазмой и окружающей средой (потенциал покоя). Основной вклад в создание и поддержание потенциала покоя вносят ионы Na⁺, K⁺ и Сl^-. Суммарная плотность потока этих ионов с учетом их знаков равна

В стационарном состоянии суммарная плотность потока равна нулю, т. е. число различных ионов, проходящих в единицу времени через мембрану внутрь клетки, равно числу выходящих из клетки через мембрану: J = 0.

Уравнение Гольдмана - Хаджтна - Катца:

Различные концентрации ионов внутри и вне клетки созданы ионными насосами - системами активного транспорта. Можно сказать, что потенциал покоя обязан активному переносу. Проницаемость ионов существенно зависит от состояния организма.

Из уравнения Гольдмана-Ходжкина-Катца можно получить уравнение Нернста для равновесного состояния. При этом следует пренебречь проницаемостями всех ионов, кроме ионов одного сорта. Тогда для ионов

К⁺

При возбуждении разность потенциалов между клеткой и окружающей средой изменяется, возникает потенциал действия. Он напоминает апериодические процессы, происходящие при зарядке и разрядке конденсатора. В нервных волокнах происходит распространение потенциала действия. Механизм распространения потенциала действия по нервному волокну рассматривается в курсе нормальной физиологии. Математическое описание этого процесса приводит к уравнению в частных производных (телеграфное уравнение), которое однотипно с уравнением, отражающим распространение электромагнитной волны по двухпроводной линии или по коаксиальному кабелю.

Здесь ц -- внутриклеточный потенциал, измеряемый относительно потенциала покоя. Он зависит от расстояния х вдоль нервного волокна и времени t; р_а и р_м -удельные сопротивления соответственно аксоплазмы и мембраны; r- радиус нервного волокна; С_м - электроемкость единицы площади мембраны.

Наряду с некоторой формальной аналогией между волной возбуждения (распространение потенциала действия по нервному волокну) и электромагнитной волной в двухпроводной линии между этими волнами имеется существенное принципиальное различие.

Электромагнитная волна, распространяясь в среде, ослабевает, так как растрачивает свою энергию. Имеет место диссипация энергии колебаний, т. е. превращение энергии колебаний (волн) в энергию молекулярно-теплового движения. Источником энергии электромагнитной волны является источник этой волны: генератор, искра и т. п. Волна возбуждения не затухает, так как получает энергию из самой среды, в которой она распространяется (в рассматриваемом примере -- энергия заряженной мембраны). Волны, получающие энергию из среды в процессе распространения, названы автоволнами, а среда -- активной. Таким образом, распространение потенциала действия по нервному волокну происходит в форме автоволны. Активной средой являются возбудимые клетки.

У позвоночных животных повышение скорости распространения возбуждения достигается миелинизацией волокон. Удельное сопротивление миелина больше, чем у других биологических мембран, толщина миелиновой оболочки в сотни раз превышает толщину обычной клеточной мембраны. Скорость распространения пропорциональна и толщине, и удельному сопротивлению мембраны, поэтому она достаточно высока и у позвоночных животных. Нарушение миелиновой оболочки приводит к нарушению распространения потенциала действия по нервному волокну и, как следствие, к тяжелым нервным заболеваниям.

Размещено на Allbest.ru