Плотности градиент, формирование. Диффузионный потенциал. Трансмембранный градиент концентрации калия Смотреть что такое "Градиент концентрации" в других словарях

Разного диаметра (см. текст)

Вещества, используемые для формирования градиента плотности. Для формирования градиента плотности необходимо иметь инертные, нетоксичные и быстрорастворимые в воде и солевых растворах вещества. Эти вещества должны обладать большим молекулярным весом и высокой плотностью при низкой вязкости . Высокая плотность градиентного раствора необходима для того, чтобы можно было формировать крутой градиент, а низкая вязкость градиента способствует более быстрой седиментации частиц , быстрому установлению равновесия и упрощает процедуру фракционирования содержимого градиентной пробирки. При анализе фракций эти вещества не должны мешать определению содержания белка и измерению поглощения в ультрафиолетовой области . И главное требование эти вещества должны быть индифферентны к вирусным частицам. 

    Наиболее часто для формирования градиентов плотности используется сахароза, по своим свойствам соответствующая указанным выще требованиям. Кроме того, она дешева и ее раствор обладает определенной вязкостью , способствующей стабилизации зон в то же время эта вязкость не настолько высока, чтобы препятствовать движению заряженных молекул и частиц. Для этой же цели можно применять и другие вещества , например глицерин, этиленгликоль, тяжелую воду и в ограниченном диапазоне концентраций этанол. 

Если диаметр резервуара меньше диаметра смеситель (рис. 52, 2), то начальные изменения плотности относительно невелики и градиент начинается более полого, чем линейный. Это будет компенсировано резким изменением плотности в конце формирования градиента . Теперь ситуация становится обратной. Вогнутый градиент с резким нарастанием плотности в области высоких ее значений образуется в том случае, если в резервуаре находится более плотный раствор сахарозы (в). Вносить его в пробирку можно только на дно, через иглу шприца. 

Растворы для формирования градиента плотности сахарозы а) 0,8 М сахарозы, 50 мМ хлорида натрия , 50 мМ трис-НС1 буфера при рН=7,8, 2 мМ хлорида магния б) 1,0 М сахарозы, 50 мМ хлорида натрия , 50 мМ трис-НС1 буфера при pH=7,8, 2 мМ хлорида магния в) 1,5 М сахарозы, 50 мМ хлорида натрия , 50 мМ трис-НС1 буфера при pH=7,8, 2 мМ хлорида магния. 

Андерсон описал устройство применяемое для формирования градиента (рис, 19). Прибор СОСТОИТ из двух шприцев, содержащих два раствора различной плотности . Шприцы присоединены общим выводным капилляром, где происходит смешивание растворов . Капиллярную трубку опускают в центрифужную про-бирку. При постоянной скорости поршней в шприцах концентрация сахарозы в растворе, оттекающем из устройства изменяется линейно со временем. При этом в центрифужной пробирке создается линейный градиент сахарозы. Такой сформированный градиент стабилен в течение нескольких часов. Кроме линейного градиента , такое устройство может формировать градиенты других форм при помощи кулачков различной формы которые изменяют скорость движения поршней по любой заданной программе . Эти различные формы градиента можно использовать ддя разделения смесей , содержащих компоненты с различной скоростью седиментации или плотностью. Например, если смесь содержит три компонента плотностью 1,12, 1,14, 1,25 г/мл, идеальный градиент в этом случае должен иметь 8-форму. Он должен быть пологим в зоне плотности от 1,10 до 1,16 г/мл, чтобы первые два компонента, близкие по плотности, достаточно хорошо отделились за определенное время . Затем градиент должен быть крутым в зоне плотности от 1,16 до 1,30 г/мл, чтобы третий компонент расположился на некотором расстоянии от дна пробирки. 

    Время сохранения преформированного градиента в таких неравновесных условиях должно зависеть от длины пробирки, подобно тому как от нее зависит время формирования градиента . Действительно, можно показать, что в центральной трети пробирки преформированный градиент любого профиля сохранится неизменным в течение времени /о=0,15 - (в часах). Для нормального случая истинно равновесного центрифугирования, независимо от использования преформирования, скорость вращения выбранного ротора однозначно определяется заданным интервалом плотностей градиента Др. Приведенную выше формулу для Др в практических целях можно переписать, выразив угловую скорость вращения ротора

Стремление выращивать монокристаллы с малой плотностью дислокаций, или вообще бездислокацион -ные, способствовало к появлению большого числа приемов, направленных на достижение этих целей. Идея этих приемов главным образом сводится к снижению тепловых потоков с поверхности кристалла , уменьшению радиальных градиентов температуры , т. е. формированию плоского фронта кристаллизации . Такое направлепие не случайно. Большинство работ, посвященных вопросу выращивания монокристаллов с малой плотностью дислокаций , указывают именно на необходимость создания условий, обеспечивающих плоский фронт кристаллизации. 

В 1961 г. в журнале Nature были опубликованы работы двух групп авторов, сыгравшие исключительную роль в формировании современных представлений о процессах биосинтеза белка. В обоих случаях было использовано препаративное ультрацентрифугирование в одном из них компоненты бесклеточнои системы разделяли в градиенте плотности хлористого цезия , в другом использовали градиенты концентрации сахарозы. 

Сила / положительна, если х отрицательно, и наоборот, на основании чего можно сделать вывод, что полимерные молекулы стремятся собраться при г = Го х = 0). В большинстве опытов исходное распределение растворителей и полимера однородное и формирование градиента плотности происходит одновременно с образованием полосы полимера. Это сложный процесс , характер которого зависит от скоростей различных седиментационных процессов. Представляет интерес рассмотре ть гипотетический случай , когда градиент плотности был установлен до того, как началась седиментация полимера . Практически примерно так обстоит дело в тех системах, в которых скорость образования градиента плотности высока по сравнению со скоростью образования полосы полимера . Теперь рассмотрим, что будет происходить с полимером под действием силы /, выражаемой уравнением (X111-3), если исходное распределение полимера было однородным в широком интервале значений (рис. 290). В предположении, что уравнение (XII1-3) применимо во всем интересующем нас интервале, можно считать , что каждая полимерная молекула подвергается действию силы , пропорциональной расстоянию от центра л = 0. На ранних стадиях процесса влияние диффузии будет незначительно, за исключением краев Р и Q, так как только в этих точках имеется градиент концентра- 

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.

Здравствуйте! Согласно определению, градиент концентрации направлен из стороны меньшей концентрации в сторону большей. Поэтому про диффузию всегда говорят, что она направлена против градиента концентрации, т.е. из стороны с большей концентрации в сторону меньшей.
Однако, когда читаешь литературу про жизнедеятельность клетки, фотосинтез, в ней всегда говорится, что "по градиенту концентрации" - это в сторону уменьшения концентрации, а "против градиента концентрации"- в сторону увеличения концентрации и, таким образом, например, простая диффузия в клетках (или, иначе, обычная диффузия) направлена по градиенту концентрации.
Но ведь возникает противоречие. Получается, что выражение "по градиенту концентрации" на самом деле есть движение противное направлению градиенту концентрации. Как такое может быть?

Эта устойчивая и широко распространенная ошибка связана с различием в понимании направления вектора градиента концентрации в физике и биологии. Биологи предпочитают говорить о направлении вектора градиента концентрации от большего к меньшему значению, а физики от меньшего к большему.

Dx- градиент концентрации,

T – абсолютная температура

M моль

Jm = ––- ––––(–- ––––) ; m - количество вещества

S × t м с Jm - (джей) – плотность потока вещества.

Электрохимический потенциал –- величина, равная энергии Гиббса G на один моль данного вещества, помещенного в электрическом поле.

Свободная энергия Гиббса (или просто энергия Гиббса, или потенциал Гиббса, или термодинамический потенциал в узком смысле) - это величина, показывающая изменение энергии в ходе химической реакции и дающая таким образом ответ на вопрос о принципиальной возможности протекания химической реакции; это термодинамический потенциал следующего вида:

G = U + PV –TS

где U - внутренняя энергия, P- давление, V- объём, T - абсолютная температура, S - энтропия.

(Термодинамическая энтропия S, часто просто именуемая энтропия, в химии и термодинамике является функцией состояния термодинамической системы)

Энергию Гиббса можно понимать как полную химическую энергию системы (кристалла, жидкости и т. д.)

Понятие энергии Гиббса широко используется в термодинамике и химии.

Термодинамическая энтропия S, часто просто именуемая энтропия, в химии и термодинамике является функцией состояния термодинамической системы.

Для разбавленных растворов плотность потока вещества определяется уравнением Нернста-Планка.

d × C d ×φ

Jm= –U ×R×T ––––- –U×C×Z×F ––––- ;

d × x d × x

U –подвижность частиц,

R- газовая постоянная 8,31 дж/моль,

dC

z –заряд иона электролита,

F-число Фарадея 96500 кг/ моль,

dφ-потенциал электрического поля,

d φ

Существуют две причины переноса вещества при пассивном транспорте:градиент концентрации и градиент электрического потенциала . (Знаки минус перед градиентом показывают, что градиент концентрации вызывает перенос вещества от мест с большей концентрации к местам с меньшей концентрацией). Градиент электрического потенциала вызывает перенос положительных зарядов от мест с большим, к местам с меньшим потенциалом.

Может происходить пассивный перенос веществ от мест с меньшей концентрацией к местам большей концентрацией, (если второй член уравнения по модулю больше первого).

Если не электролиты Z=0 ; или отсутствует электрическое поле, то происходит простая диффузия – закон Фика.

Jm = –- D × ––––;

D – коэффициент диффузии;

- –- ––– градиент концентрации;

Диффузия – самопроизвольное перемещение веществ из мест с большей концентрацией в места с меньшей концентрацией вещества, вследствие хаотичного теплового движения молекул.

Диффузия вещества через липидный бислой вызывается градиентом концентрации в мембране. Коэффициент проницаемости мембраны зависит от свойств мембраны и переносимых веществ. (Если концентрации вещества у поверхности в мембране прямо пропорциональны концентрациям у поверхности вне мембраны).

P = - –- ––- – коэффициент проницаемости

K –коэффициент распределения, который показывает соотношение концентрации вещества вне мембраны и внутри ее.

L –толщина мембраны;

D – коэффициент диффузии;

Коэффициент проницаемости тем больше, чем больше коэффициент диффузии (чем меньше вязкость мембраны), чем тоньше мембрана и чем лучше вещество растворяется в мембране.

Хорошо проникают через мембрану неполярные вещества – органические жирные кислоты, плохо – полярные водорастворимые вещества: соли, основания, сахара, аминокислоты.

При тепловом движении образуются небольшие свободные плоскости между хвостами – называются клинки, через которые могут проникать полярные молекулы. Чем больше размер молекулы, тем меньше проницаемость мембраны для этого вещества. Избирательность переноса обеспечивается набором в мембране пор определенного радиуса, соответствующих размеру проникающей частицы.

Облегченная диффузия – происходит при участии молекул переносчиков. Переносчик ионов калия – валиномицин, который имеет форму манжетки; устлан внутри полярными группами, а снаружи –неполярными. Характерна высокая избирательность. Валиномицин образует комплекс с ионами калия, которые попадают внутрь манжетки, а также он растворим в липидной фазе мембраны, так как снаружи его молекула неполярна.

Молекулы валиномицина у поверхности мембраны захватывают ионы калия и переносят его через мембрану. Перенос может происходить в обе стороны.

Облегченная диффузия происходит от мест с большей концентрацией переносимого вещества к местам с меньшей концентрацией.

Отличия облегченной диффузии от простой:

1) перенос вещества с переносчиком происходит быстрее.

2) Облегченная диффузия обладает свойством насыщения, при увеличении концентрации с одной стороны мембраны, плотность потока возрастает до тех пор пока все молекулы переносчика не будут заняты

3) При облегченной диффузии наблюдается конкуренция переносимых веществ, когда переносчиком переносятся разные вещества; при этом одни вещества переносятся лучше чем другие и добавление одних веществ затрудняет транспорт др. Так из сахаров глюкоза переносится лучше чем фруктоза, фруктоза лучше, чем ксилоза, а ксилоза, лучше чем арабиноза.

4) Есть вещества, блокирующие облегченную диффузию – они образуют прочный комплекс с молекулами переносчик. Неподвижные молекулы – переносчики, фиксированные поперек мембраны передаются от молекулы к молекуле.

Фильтрация- движение раствора через поры в мембране под действием градиента давления. Скорость переноса при фильтрации подчиняется закону Пуазейля.

D v P1 – P2

–- –– = - ––––––;