Биомембрана арқылы заттар тасымалының (массалық тасымалының) биофизикалық механизмі

Биомембрана арқылы заттар тасымалының (массалық тасымалының) биофизикалық механизмі

Заттардың жасуша мембранасы арқылы тасымалы пассивті (енжар) және белсенді тасымал болып бөлінеді. Пассивті тасымалға концентрациялық, электрлік, осмостық және фильтрациялық (гидростатикалық) градиенттердің бағытында жүретін трансмембраналық масса алмасу жатады. Бір затқа қатысты олар кері бағытталуы мүмкін болғандықтан, мұндай масса тасымалын талдау кезінде барлық физика-химиялық градиенттердің термодинамикалық байланысын, үйлесімділігін ескеру қажет.

                                               Физика-химиялық  градиент  ұғымы
Қандай да бір физикалық шаманың градиенті деп осы шаманың кеңістіктегі  өзгеру жылдамдығын айтады.    [pic 1]

Мысалы,

а) концентрация градиенті  – [pic 2]

б) температура градиенті   – [pic 3]

в) электрлік потенциалдың градиенті  -[pic 4]

Латын тілінен аударғанда градиент деген сөз "өсу" дегенді білдіреді, яғни бұл кез келген шаманың өсу бағытын көрсетеді.

 Градиент – векторлық шама. Градиент векторы физикалық шаманың артуы жағына бағытталған. Градиент ұғымы кез- келген физикалық шамаға қолданылады, егер ол кеңістікте таралса, яғни оның мәні кеңістіктің әртүрлі нүктелерінде әртүрлі болса.

Биологиялық мембраналар жағдайында әдетте орташа градиент қолданылады.

Мысалы, концентрация градиенті жағдайында:   ; мұндағы  С1 және С2 – мембрананың екі жағындағы концентрация,  l –  мембрана қалыңдығы (≈ 10 нм).[pic 5]

Белсенді тасымал дегеніміз- заттың жоғарыда аталған градиенттердің бағытына қарама-қарсы тасымалы. Белсенді тасымалдың қозғаушы күші- химиялық потенциал болып табылады. Кез келген заттың химиялық потенциалы деп бір моль затты тасымалдауға жұмсалған энергия мөлшерін айтады. Химиялық потенциал- бөлшектердің өзгермелі саны бар жүйелердің күйін сипаттау үшін қолданылатын термодинамикалық функция. Ол материалдық өзара әрекеттесуді сипаттау үшін қолданылады. Химиялық потенциал градиенттерді жеңу үшін бос энергияны түзетін биомембрандағы ферментті реакциялардың жүруін анықтайды. Жоғарыда аталған барлық градиенттердің жасуша мембраналары арқылы заттарды тасымалдауда маңызы бірдей емес.

Масса алмасудың биофизикалық процестерінің кинетикасы. Осмостық және гидростатикалық градиенттердің бірлескен әрекеті нәтижесінде жүретін заттың массалық алмасуы әдетте конвекциялық  ағын деп аталады. Осы конвекциялық ағын арқылы су еріген заттарымен мембрана арқылы ағады.

Биофизикалық процестердің кинетикасын зерттеу кезінде осы процестердің  әртүрлі жағдайлардағы жүру жылдамдығы өлшенеді. Әдетте масса алмасу процестері бірден бірнеше күштердің әсерінен жүреді. Мысалы, зарядталған бөлшектер жасуша мембранасы арқылы өткен кезде, олардың тасымалы диффузия арқылы да, электр тогы арқылы да жүреді. Бұл жағдайда диффузия мен электр тогының арасында термодинамикалық байланыс пайда болады. Осы процестердің әрқайсысының жылдамдығы тек "өзінің" жалпыланған күшіне ғана емес, жүйеде әрекет ететін барлық жалпыланған күштерге де байланысты.

Концентрация градиенті мен температура градиенті жалпыланған күштердің рөлін атқарады, ал жалпыланған координаттарға заттың массасы мен жүйедегі кеңістіктің  бір нүктесінен екінші нүктесіне берілген жылу мөлшері жатады. Мұндай жүйеде заттың тасымалдануы концентрация градиентімен ғана емес, температура градиентімен де анықталады.

Егер жүйенің қандай да бір бөлігінде заттың концентрациясы да, температурасы да басқа бөлігіне қарағанда жоғары болса, онда grad C және grad T бірдей таңбаға ие болады. Олардың әсерінен жүретін процестер бір-бірін күшейтеді. Демек, бұл кезде осы градиенттердің біреуі ғана болған кездегіге қарағанда масса алмасу көп болады. Бұл жағдайда жүйенің екі бөлігіндегі температура айырмашылығының әсерінен заттың концентрациясы төмен аймақтан концентрациясы жоғары аймағына орын ауыстырады. Бұл құбылыс термиялық (жылулық) диффузия деп аталады. Термиялық диффузияны жүзеге асыру үшін бос энергияның едәуір бөлігі жұмсалуы қажет.