Tankio gradientas, formavimasis. Difuzijos potencialas. Transmembraninis kalio koncentracijos gradientas Pažiūrėkite, kas yra "koncentracijos gradientas" kituose žodynuose

Skirtingi skersmenys (žr. tekstą)

Medžiagos, naudojamos tankio gradientui sudaryti. Tam, kad susidarytų tankio gradientas, būtina, kad vandenyje ir druskos tirpaluose būtų inertiškų, netoksiškų ir greitai tirpstančių medžiagų. Šios medžiagos turi būti didelės molekulinės masės ir didelio tankio bei mažo klampumo. Didelis gradiento tirpalo tankis būtinas, kad būtų galima susidaryti statų gradientą, o mažas gradiento klampumas skatina greitesnį dalelių nusėdimą, greitą pusiausvyros nustatymą ir supaprastina gradiento mėgintuvėlio turinio frakcionavimo procedūrą. Analizuojant frakcijas šios medžiagos neturėtų trukdyti nustatyti baltymų kiekį ir matuoti absorbciją ultravioletinėje srityje. O pagrindinis reikalavimas – šios medžiagos turi būti neabejingos virusinėms dalelėms.

Dažniausiai tankio gradientams formuoti naudojama sacharozė, jos savybės atitinka aukščiau nurodytus reikalavimus. Be to, jis yra pigus, o jo tirpalas turi tam tikrą klampumą, kuris padeda stabilizuoti zonas, tuo pačiu metu šis klampumas nėra toks didelis, kad trukdytų įkrautų molekulių ir dalelių judėjimui. Tam pačiam tikslui gali būti naudojamos ir kitos medžiagos, pavyzdžiui, glicerinas, etilenglikolis, sunkusis vanduo ir, esant ribotam koncentracijų diapazonui, etanolis.

Jei rezervuaro skersmuo yra mažesnis už maišytuvo skersmenį (52 pav., 2), tada pradiniai tankio pokyčiai yra santykinai nedideli ir gradientas prasideda labiau plokščias nei tiesinis. Tai kompensuos staigus tankio pokytis gradiento formavimosi pabaigoje. Dabar situacija yra atvirkštinė. Įgaubtas gradientas su staigiu tankio padidėjimu didelių verčių srityje susidaro, jei rezervuare yra tankesnis sacharozės tirpalas (c). Į mėgintuvėlį galite įdėti tik apačioje, per švirkšto adatą.

Tirpalai sacharozės tankio gradientui formuoti a) 0,8 M sacharozės, 50 mM natrio chlorido, 50 mM Tris-HC1 buferio, kai pH = 7,8, 2 mM magnio chlorido b) 1,0 M sacharozės, 50 mM natrio chlorido, 50 mM Tris- HC1 buferis, kurio pH = 7,8, 2 mM magnio chlorido c) 1,5 M sacharozės, 50 mM natrio chlorido, 50 mM Tris-HC1 buferio, kai pH = 7,8, 2 mM magnio chlorido.

Andersonas aprašė įtaisą, naudojamą gradientui formuoti (19 pav.). Prietaisas SUDĖTI iš dviejų švirkštų, kuriuose yra du skirtingo tankio tirpalai. Švirkštai sujungti bendru išleidimo kapiliaru, kuriame sumaišomi tirpalai. Kapiliarinis vamzdelis nuleidžiamas į centrifugos mėgintuvėlį. Esant pastoviam stūmoklių greičiui švirkštuose, sacharozės koncentracija tirpale, tekančiame iš prietaiso, laikui bėgant kinta tiesiškai. Šiuo atveju centrifugos mėgintuvėlyje sukuriamas linijinis sacharozės gradientas. Šis susidaręs gradientas išlieka stabilus kelias valandas. Be linijinio gradiento, toks įrenginys gali generuoti ir kitų formų gradientus, naudodamas įvairių formų kumštelius, kurie keičia stūmoklių judėjimo greitį pagal bet kurią programą. Šios skirtingos gradiento formos gali būti naudojamos atskirti mišinius, kurių sudėtyje yra skirtingo nusėdimo greičio ar tankio komponentų. Pavyzdžiui, jei mišinyje yra trys komponentai, kurių tankis yra 1,12, 1,14, 1,25 g/ml, idealus gradientas šiuo atveju turėtų būti 8 formos. Jis turi būti plokščias tankio zonoje nuo 1,10 iki 1,16 g/ml, kad pirmieji du komponentai, kurių tankis panašus, pakankamai gerai išsiskirtų per tam tikrą laiką. Tada gradientas turi būti kietas tankio zonoje nuo 1,16 iki 1,30 g/ml, kad trečiasis komponentas būtų tam tikru atstumu nuo mėgintuvėlio dugno.

Iš anksto suformuoto gradiento išsaugojimo laikas tokiomis nepusiausvyros sąlygomis turėtų priklausyti nuo mėgintuvėlio ilgio, kaip ir nuo jo priklauso gradiento susidarymo laikas. Iš tiesų, galima parodyti, kad centriniame mėgintuvėlio trečdalyje iš anksto suformuotas bet kurio profilio gradientas išliks nepakitęs tam tikrą laiką /o = 0,15 - (valandomis). Įprastu tikrosios pusiausvyros centrifugavimo atveju, neatsižvelgiant į preformavimo naudojimą, pasirinkto rotoriaus sukimosi greitį vienareikšmiškai lemia nurodytas gradiento tankių intervalas Dr. Praktiniais tikslais aukščiau pateiktą Dr formulę galima perrašyti išreiškiant rotoriaus sukimosi kampinį greitį

Noras auginti pavienius kristalus su mažu dislokacijos tankiu ar net be išnirimo prisidėjo prie daugybės metodų, skirtų šiems tikslams pasiekti, atsiradimo. Šių metodų idėja daugiausia susijusi su šilumos srautų iš kristalo paviršiaus mažinimu, radialinių temperatūros gradientų mažinimu, ty plokščio kristalizacijos fronto susidarymu. Ši kryptis nėra atsitiktinė. Dauguma darbų, skirtų mažo dislokacijos tankio pavienių kristalų auginimo problemai, konkrečiai nurodo būtinybę sukurti sąlygas, užtikrinančias plokščią kristalizacijos frontą.

1961 metais žurnalas „Nature“ paskelbė dviejų autorių grupių, suvaidinusių išskirtinį vaidmenį formuojant šiuolaikines idėjas apie baltymų biosintezės procesus, darbus. Abiem atvejais taikyta preparatinė ultracentrifuga, viename beląstelinės sistemos komponentai buvo atskirti cezio chlorido tankio gradientu, kitu – sacharozės koncentracijos gradientais.

Jėga / yra teigiama, jei x yra neigiama, ir atvirkščiai, iš to galime daryti išvadą, kad polimero molekulės linkusios kauptis esant r = Go x = 0). Daugumoje eksperimentų pradinis tirpiklių ir polimero pasiskirstymas yra vienodas, o tankio gradientas susidaro tuo pačiu metu, kai susidaro polimero juosta. Tai sudėtingas procesas, kurio pobūdis priklauso nuo įvairių sedimentacijos procesų greičio. Įdomu apsvarstyti hipotetinį atvejį, kai tankio gradientas buvo nustatytas prieš prasidedant polimero sedimentacijai. Tai praktiškai yra sistemose, kuriose tankio gradiento susidarymo greitis yra didelis, palyginti su polimerinės juostelės susidarymo greičiu. Dabar pažiūrėkime, kas nutiks polimerui veikiant jėga /, išreikšta lygtimi (X111-3), jei pradinis polimero pasiskirstymas buvo vienodas plačiame verčių diapazone (290 pav.). Darant prielaidą, kad (XII1-3) lygtis taikoma visame mus dominančiame diapazone, galime manyti, kad kiekvieną polimero molekulę veikia jėga, proporcinga atstumui nuo centro l = 0. Ankstyvosiose proceso stadijose difuzijos įtaka bus nereikšminga, išskyrus kraštus P ir Q, nes tik šiuose taškuose yra koncentracijos gradientas

Koncentracijos gradientas(nuo lat. grady, gradu, gradus- progresas, judėjimas, srautas, artėjimas; con- su, kartu, kartu + centre- centras) arba koncentracijos gradientas yra vektorius fizinis kiekis, apibūdinantis didžiausio pokyčio dydį ir kryptį koncentracijos bet kokia medžiaga aplinkoje. Pavyzdžiui, jei nagrinėsime dvi skirtingos medžiagos koncentracijos sritis, atskirtas pusiau pralaidžia membrana, tada koncentracijos gradientas bus nukreiptas iš mažesnės medžiagos koncentracijos srities į didesnės koncentracijos sritį.

Aktyvus transportas- medžiagos perdavimas per ląstelinis arba tarpląstelinis membrana(transmembraninis A.t.) arba per ląstelių sluoksnį (transląstelinis A.t.), tekantis prieš koncentracijos gradientas iš mažos koncentracijos srities į didelę, t.y., sunaudojant laisvą kūno energiją. Daugeliu atvejų, bet ne visada, energijos šaltinis yra didelės energijos ryšių energija ATP.

Įvairios transportavimo ATPazės, lokalizuotos ląstelių membranose ir dalyvaujančios medžiagų perdavimo mechanizmuose, yra pagrindinis molekulinių prietaisų elementas – siurbliai, užtikrinantys selektyvią tam tikrų medžiagų (pavyzdžiui, elektrolitų) absorbciją ir išsiurbimą iš ląstelės. Aktyvus specifinis neelektrolitų pernešimas (molekulinis transportavimas) realizuojamas naudojant kelių tipų molekulines mašinas – siurblius ir nešiklius. Neelektrolitų (monosacharidų, aminorūgščių ir kitų monomerų) transportavimas gali būti sujungtas su paprastas- kitos medžiagos transportavimas, kurio judėjimas prieš koncentracijos gradientą yra pirmojo proceso energijos šaltinis. Simptomą gali suteikti jonų gradientai (pavyzdžiui, natrio), tiesiogiai nedalyvaujant ATP.

Pasyvus transportas- medžiagų pernešimas per koncentracijos gradientas iš didelės koncentracijos zonos į žemą, nenaudojant energijos (pvz. difuzija, osmosas). Difuzija yra pasyvus medžiagos judėjimas iš didesnės koncentracijos srities į mažesnės koncentracijos sritį. Osmosas – tai pasyvus tam tikrų medžiagų judėjimas per pusiau pralaidžią membraną (dažniausiai mažos molekulės praeina, didelės – ne).

Yra trys medžiagų įsiskverbimo į ląsteles būdai per membranas: paprasta difuzija, palengvinta difuzija, aktyvus transportas.

Paprasta difuzija

Paprastoje difuzijoje medžiagos dalelės juda per lipidų dvisluoksnį sluoksnį. Paprastos difuzijos kryptį lemia tik medžiagos koncentracijų skirtumas abiejose membranos pusėse. Paprastos difuzijos būdu jie prasiskverbia į ląstelę hidrofobiškas medžiagos (O2, N2, benzenas) ir polinės mažos molekulės (CO 2, H 2 O, karbamidas). Poliarinės gana didelės molekulės (aminorūgštys, monosacharidai), įkrautos dalelės (jonai) ir makromolekulės (DNR, baltymai) neprasiskverbia.

Palengvinta difuzija

Dauguma medžiagų pernešamos per membraną naudojant į ją panardintus transportinius baltymus (baltymus nešiklius). Visi transportuojantys baltymai sudaro nuolatinį baltymų praėjimą per membraną. Nešančių baltymų pagalba vyksta tiek pasyvus, tiek aktyvus medžiagų pernešimas. Polinės medžiagos (aminorūgštys, monosacharidai), įkrautos dalelės (jonai) praeina per membranas, naudojant palengvintą difuziją, dalyvaujant kanalo baltymams arba baltymams-nešikliui. Baltymų-nešiklių dalyvavimas užtikrina didesnį palengvintos difuzijos greitį, palyginti su paprasta pasyvia difuzija. Supaprastintos difuzijos greitis priklauso nuo daugelio priežasčių: nuo pernešamos medžiagos koncentracijos per membraną gradiento, nuo transporterio kiekio, kuris jungiasi su transportuojama medžiaga, nuo medžiagos, kurią transporteris jungiasi ant vieno paviršiaus, greičio. membrana (pavyzdžiui, ant išorinio paviršiaus), dėl konformacinių pokyčių greičio transporterinėje molekulėje, dėl kurios medžiaga pernešama per membraną ir išsiskiria kitoje membranos pusėje. Palengvinta difuzija nereikalauja ypatingų energijos sąnaudų dėl ATP hidrolizės. Ši savybė išskiria palengvintą difuziją nuo aktyvaus transmembraninio transportavimo.

Sveiki! Pagal apibrėžimą koncentracijos gradientas nukreipiamas iš mažesnės koncentracijos pusės į didesnės koncentracijos pusę. Todėl visada sakoma, kad difuzija nukreipta prieš koncentracijos gradientą, t.y. iš didesnės koncentracijos pusės į mažesnę koncentraciją.
Tačiau kai skaitai literatūrą apie ląstelės gyvybinę veiklą, fotosintezę, ten visada rašoma, kad „išilgai koncentracijos gradiento“ – tai koncentracijos mažėjimo kryptimi, o „prieš koncentracijos gradientą“ – didėjimo kryptimi. koncentracija, taigi, pavyzdžiui, paprasta difuzija ląstelėse (arba, kitaip, įprasta difuzija) yra nukreipta išilgai koncentracijos gradiento.
Tačiau iškyla prieštaravimas. Pasirodo, kad posakis „išilgai koncentracijos gradiento“ iš tikrųjų yra judėjimas, priešingas koncentracijos gradiento krypčiai. Kaip tai gali būti?

Ši nuolatinė ir plačiai paplitusi klaida yra susijusi su skirtumais suprasti koncentracijos gradiento vektoriaus kryptį fizikoje ir biologijoje. Biologai mieliau kalba apie koncentracijos gradiento vektoriaus kryptį nuo didesnės iki mažesnės vertės, o fizikai – nuo ​​mažesnės į didesnę reikšmę.

Dx – koncentracijos gradientas,

T – absoliuti temperatūra

M mol

Jm = ––- ––––(–- ––––) ; m - medžiagos kiekis

S × t m s Jm – (jay) – medžiagos srauto tankis.

Elektrocheminis potencialas– kiekis lygus energijai Gibbsas G vienam moliui tam tikros medžiagos, patalpintos į elektrinį lauką.

Gibso laisvoji energija (arba tiesiog Gibso energija, arba Gibso potencialas, arba termodinaminis potencialas siaurąja prasme) yra dydis, parodantis energijos kitimą cheminės reakcijos metu ir taip atsakantis į klausimą apie esminę cheminės reakcijos galimybę. atsirandantis; tai yra šios formos termodinaminis potencialas:

G=U+PV–T.S.

kur U – vidinė energija, P – slėgis, V – tūris, T – absoliuti temperatūra, S – entropija.

(Termodinaminė entropija S, chemijoje ir termodinamikoje dažnai vadinama tiesiog entropija, yra termodinaminės sistemos būsenos funkcija)

Gibso energija gali būti suprantama kaip visa sistemos (kristalo, skysčio ir kt.) cheminė energija.

Gibso energijos sąvoka plačiai naudojama termodinamikoje ir chemijoje.

Termodinaminė entropija S, dažnai tiesiog vadinama entropija, chemijoje ir termodinamikoje yra termodinaminės sistemos būsenos funkcija.

Atskiestų tirpalų atveju nustatomas medžiagos srauto tankis Nernst-Planck lygtis.

d×C d×φ

Jm=–U × R × T––––- –U × C × Z × F––––- ;

d × x d × x

U–dalelių mobilumas,

R – dujų konstanta 8,31 J/mol,

dC

z–elektrolito jonų krūvis,

F-Faraday numeris 96500 kg/mol,

dφ-elektrinio lauko potencialas,

dφ

Yra dvi priežastys, dėl kurių medžiaga persikelia pasyviojo transportavimo metu: koncentracijos gradientas ir elektrinio potencialo gradientas. (Prieš gradientą esantys minuso ženklai rodo, kad dėl koncentracijos gradiento medžiaga perkeliama iš didesnės koncentracijos vietų į mažesnės koncentracijos vietas.) Elektrinio potencialo gradientas sukelia teigiamų krūvių perkėlimą iš didesnio potencialo vietų į mažesnio potencialo vietas.

Pasyvus medžiagų perkėlimas gali vykti iš mažesnės koncentracijos vietų į didesnes koncentracijas (jei antrasis lygties narys absoliučia verte yra didesnis nei pirmasis).

Jei ne elektrolitai Z=0; arba nėra elektrinio lauko, tada įvyksta paprasta difuzija - Ficko dėsnis.

Jm =–- D×––––;

D – difuzijos koeficientas;

- –- ––– koncentracijos gradientas;

difuzija – savaiminis medžiagų judėjimas iš didesnės koncentracijos vietų į vietas, kuriose medžiagos koncentracija mažesnė, dėl chaotiško terminio molekulių judėjimo.

Medžiagos difuziją per lipidų dvigubą sluoksnį sukelia koncentracijos gradientas membranoje. Membranos pralaidumo koeficientas priklauso nuo membranos savybių ir pernešamų medžiagų. (Jei medžiagos koncentracijos membranos paviršiuje yra tiesiogiai proporcingos koncentracijoms paviršiuje už membranos ribų).

P=-–- ––- – pralaidumo koeficientas

K–pasiskirstymo koeficientas, parodantis medžiagos koncentracijos už membranos ribų ir jos viduje santykį.

L–membranos storis;

D – difuzijos koeficientas;

Koeficientas Kuo didesnis difuzijos koeficientas (kuo mažesnis membranos klampumas), tuo plonesnė membrana ir kuo geriau medžiaga tirpsta membranoje, tuo didesnis pralaidumas.

Nepolinės medžiagos – organinės riebalų rūgštys – gerai prasiskverbia pro membraną, tačiau prastai prasiskverbia polinės vandenyje tirpios medžiagos – druskos, bazės, cukrūs, aminorūgštys.

Šiluminio judėjimo metu tarp uodegų susidaro nedidelės laisvos plokštumos – vadinamos ašmenimis – pro kurias gali prasiskverbti polinės molekulės. Kuo didesnė molekulė, tuo mažiau pralaidi membrana šiai medžiagai. Perdavimo selektyvumą užtikrina tam tikro spindulio porų rinkinys membranoje, atitinkantis prasiskverbiančios dalelės dydį.

Palengvinta difuzija– vyksta dalyvaujant nešiklio molekulėms. Kalio jonų transporteris yra valinomicinas, kuris yra manžetės formos; viduje išklotos polinėmis grupėmis, o išorėje – nepoliarinėmis. Pasižymi dideliu selektyvumu. Valinomicinas sudaro kompleksą su kalio jonais, kurie patenka į manžetę, taip pat tirpsta membranos lipidinėje fazėje, nes jo molekulė išorėje yra nepolinė.

Valinomicino molekulės membranos paviršiuje sulaiko kalio jonus ir perneša juos per membraną. Perkėlimas gali vykti į abi puses.

Palengvinta difuzija vyksta iš vietų, kuriose didesnė pernešamos medžiagos koncentracija, į vietas, kuriose koncentracija mažesnė.

Skirtumai tarp palengvintos ir paprastos difuzijos:

1) medžiagos pernešimas su nešikliu vyksta greičiau.

2) Supaprastinta difuzija turi prisotinimo savybę; didėjant koncentracijai vienoje membranos pusėje, srauto tankis didėja, kol bus užimtos visos nešiklio molekulės

3) Esant palengvintai difuzijai, stebima gabenamų medžiagų konkurencija, kai vežėjas gabena skirtingas medžiagas; Tuo pačiu kai kurios medžiagos toleruojamos geriau nei kitos, o kai kurių medžiagų pridėjimas apsunkina kitų transportavimą.Taigi tarp cukrų gliukozė toleruojama geriau nei fruktozė, fruktozė – už ksilozę, ksilozė – už arabinozę.

4) Yra medžiagų, kurios blokuoja palengvintą difuziją – jos sudaro stiprų kompleksą su nešančiomis molekulėmis. Stacionarios molekulės yra nešikliai, kurie yra fiksuoti per membraną ir perduodami iš molekulės į molekulę.

Filtravimas - tirpalo judėjimas per membranos poras, veikiamas slėgio gradiento. Perdavimo greitis filtravimo metu atitinka Puazio dėsnį.

D prieš P1 – P2

–- –– = - ––––––;