Работа в живой клетке Вопросы 1

Работа в живой клетке

Вопросы • 1. Приведите определение работы. • 2. В каком случае работа положительна, а в каком – отрицательна? • 3. Какие силы могут совершать работу? • 4. Как объяснить природу осмотического давления?

• 5. Как рассчитывают работу расширения газа? • 6. Определение осмотической работы. • 7. Как рассчитывают работу осмотических сил? • 8. Виды работы в биологических системах.

• 9. Определение электрической работы. • 10. Как рассчитывают электрическую работу? • 11. Что характеризует электрохимический потенциал? • 12. Из каких составляющих складывается электрохимический потенциал?

• 13. Химический потенциал. • 14. Как понимают химическое равновесие с точки зрения электрохимических потенциалов?

Осмотическое давление

Задача 1 • Каково осмотическое давление неорганических ионов плазмы крови при 37ºС? Примем, что в плазме присутствуют следующие ионы: Na+ 3, 28 г/л Cl- К+ 0, 18 г/л 3, 65 г/л

Решение Концентрация в единицах СИ равна 251 осмоль/м 3

Переведем в атмосферы • 1 атмосфера – 101 300 Па • Х – 646600 Па • Х = 6, 4 атм! • ( на самом деле 7, 3 атм)

Задача 2 • Каково осмотическое давление белков плазмы крови при 37ºС (онкотическое давление)? Примем, что в плазме присутствуют белки молярной массы 56 к. Да в концентрации до 80 г/л:

Решение Концентрация в единицах СИ равна 80/56000 = 0, 0014 моль/л = 1, 4 моль/м 3

Переведем в мм. рт. ст. • 1 мм. рт. ст. – 133, 3 Па • Х – 3606 Па • Х = 27 мм. рт. ст. !

Задача 3 (задание на дом) • Содержание Na. Cl в морской воде составляет 0, 5 моль/л. Какое осмотическое давление создает морская вода при 25ºС (другие ионы не учитываем)?

Решение • Рассчитаем осмотическое давление В атмосферах 2460/101 = 24, 6 атм

Осмотическое давление Работа по переносу ионов

Задача 4 • Рассчитать работу, которую нужно затратить, для переноса одного моля ионов Na+ из клетки в окружающую среду (гигантский аксон кальмара в морской воде): • • • Концентрация натрия в клетке [Na+i], 69 м. М Концентрация натрия в среде [Na+o], 425 м. М Внутриклеточный потенциал i, ─60 м. В Внеклеточный потенциал o, м. В 0 Температура 27 о. С = 300 K

0 0 4 м. М ─ Принудительно при помощи ионного насоса! ─ ─ 0 ─ К+ i 150 м. М ─ ─ Na+i Добровольно! 69 м. М ─ ─ 0 К+ o ─ 0 ─ Na+o 425 м. М 0

Решение • Работа складывается из осмотической и электрической составляющих. • Осмотическую работу рассчитываем по уравнению: • 4534, 6 Дж

• Электрическую работу при переносе одного моля ионов находим по уравнению : • 5789, 22 Дж. • Общая работа по переносу ионов равна 4534, 6+5789, 22 = 10323, 82 Дж на каждый моль или 10, 32 к. Дж на моль.

Осмотическое давление Работа осмотических сил Электрохимический потенциал

Электрохимический потенциал • Общая энергия моля ионов в растворе называется электрохимическим потенциалом иона Химическая часть Осмотическая часть Электрическая часть

Физический смысл электрохимического потенциала • заключается в том, что его изменение равно работе, которую необходимо затратить, чтобы: • а) синтезировать 1 моль вещества (состояние 2) из исходных веществ (состояние 1) и поместить его в растворитель (химическая работа); • б) сконцентрировать раствор от концентрации с1 до с2 (осмотическая работа); • в) перенести ионы из области с потенциалом φ1 в область с потенциалом φ2 (электрическая работа).

Задача 5 • Как изменяется величина электрохимического потенциала при переносе ионов Na+ через мембрану нервной клетки? Этот процесс совершается ферментом Na+, К+-АТФ-азой и обеспечивается энергией гидролиза АТФ. Ион натрия при этом переносится из клетки наружу. Концентрация Na+ внутри клеток (c 1) равна 0, 015 моль/л, а снаружи (с2) — 0, 150 моль/л.

Решение Осмотическая работа на каждый моль перенесенного иона равна при 37 С • RTln (0, 15/0, 015) = 5, 9 к. Дж/моль. • Внутри клетки электрический потенциал составляет • 1 = – 60 м. В, если принять наружный потенциал 2 = 0. Электрическая работа составляет: z. F = 9, 65 104 Кл/моль 60 10– 3 В = 5, 8 к. Дж/моль. • Так как с ионом Na+ при его переносе через мембрану в конечном счете не происходит никаких химических превращений и он оказывается примерно в таком же водном окружении, что и раньше, то 0 = 0. Отсюда по уравнению находим • = 0 + 5, 9 + 5, 8 = 11, 7 к. Дж/моль.

Задача 5 а (задание на дом) • Как изменяется величина электрохимического потенциала при переносе ионов К+ через мембрану клетки? Ион калия при этом переносится в клетку. Концентрация К+ внутри клеток (c 2) равна 0, 150 моль/л, а снаружи (с1) — 0, 004 моль/л.

Решение Осмотическая работа на каждый моль перенесенного иона равна при 37 С • RTln (0, 15/0, 004) = 9, 4 к. Дж/моль. • Внутри клетки электрический потенциал составляет • 2 = – 60 м. В, если принять наружный потенциал 1 = 0, электрическая работа составляет: z. F =9, 65 104 Кл/моль 60 10– 3 В = -5, 8 к. Дж/моль. • Так как с ионом К+ при его переносе через мембрану в конечном счете не происходит никаких химических превращений и он оказывается примерно в таком же водном окружении, что и раньше, то 0 = 0. Отсюда по уравнению находим • = 0 + 9, 4 - 5, 8 = 3, 6 к. Дж/моль.

Осмотическое давление Работа осмотических сил Электрохимический потенциал Расчет мембранного потенциала

Задача 6 • Рассчитайте равновесный натриевый потенциал, пользуясь условием задачи 5.

Решение • При равновесии электрохимические потенциалы снаружи и внутри клеток равны! • • = 0 + 5, 9 + 5, 8 = 11, 7 к. Дж/моль. = 0 + Аосм + Аэл = 0 к. Дж/моль. Аосм = - Аэл = -5, 9 к. Дж/моль z. F = 9, 65 104 Кл/моль Δφ 10– 3 В = -5, 9 к. Дж/моль Δφ = -61 м. В φ = +61 м. В

Задача 6 а (задание на дом) • Рассчитайте равновесный калиевый потенциал, пользуясь условием задачи 5 а.

Решение • При равновесии электрохимические потенциалы снаружи и внутри клеток равны! • • = 0 + 9, 4 - 5, 8 = 3, 6 к. Дж/моль. = 0 + Аосм + Аэл = 0 к. Дж/моль. Аосм = - Аэл = -9, 4 к. Дж/моль z. F = 9, 65 104 Кл/моль Δφ 10– 3 В = -9, 4 к. Дж/моль Δφ = -97 м. В

Мембранный потенциал [K+]i – jm + [K+]o Уравнение Нернста

Задача 7 • Рассчитайте потенциал покоя гигантского аксона кальмара, если концентрация ионов калия внутри равна 440 ммоль/м 3, а снаружи его 49 ммоль/м 3 (температура равна 25 °С).

Ответ: -56, 4 м. В

Задача 9 (задание на дом) • Определите равновесный мембранный потенциал на полупроницаемой мембране, разделяющей водные растворы натрия при отношении концентраций ионов натрия по обе стороны мембраны 1: 1. Температура раствора составляет 20 С.