Влияние различий концентрации (А), электрического потенциала, воздействующего на отрицательные ионы (Б), градиента давления (В) на диффузию молекул и ионов через клеточную мембрану.
При наличии разности потенциалов по обе стороны мембраны ионы движутся через нее, даже если отсутствует движущая сила в виде разницы концентраций. Положительный заряд притягивает отрицательные ионы, а отрицательный — отталкивает их. В результате происходит общая диффузия слева направо. Со временем направо переходит достаточно большое количество отрицательных ионов, благодаря чему, возникает разность концентраций ионов, действующая на ионы в направлении, противоположном действию электрического потенциала.
Разность концентраций теперь способствует движению ионов справа налево, в то время как электрический потенциал заставляет их двигаться слева направо. Когда разность концентраций становится достаточно высокой, оба процесса уравновешивают друг друга. При 37°С, что соответствует нормальной температуре тела, электрический потенциал, уравновешивающий данную разницу концентраций одновалентных ионов, например ионов натрия, можно определить по следующей формуле, называемой уравнением Нернста:
ЭДС(MB)=±61*log(C1/C2), где ЭДС — электродвижущая сила (разность потенциалов) между сторонами 1 и 2, С1 и С2 — концентрации на сторонах 1 и 2, соответственно. Это уравнение чрезвычайно важно для понимания передачи нервных импульсов.
Влияние различий давления по обе стороны мембраны.
Иногда между двумя сторонами доступной для диффузии мембраны развивается значительная разность давления. Это, например, характерно для мембраны кровеносных капилляров всех тканей организма. Внутри капилляра давление примерно на 20 мм рт. ст. выше, чем снаружи. Фактически давление представляет собой сумму всех сил различных молекул, сталкивающихся с мембраной в конкретный момент времени, в расчете на единицу поверхности. Следовательно, когда давление на одной стороне мембраны выше, чем на другой, это значит, что сумма сил всех молекул, сталкивающихся с каналами, с одной стороны мембраны больше, чем с другой.
В большинстве случаев это связано с тем, что количество молекул, ударяющихся о мембрану в секунду, с одной ее стороны больше, чем с другой. В результате со стороны высокого давления количество имеющейся энергии больше, что обеспечивает общее движение молекул в область низкого давления. Созданное с помощью поршня высокое давление с одной стороны поры ведет к столкновению с этой стороной большего числа молекул, в связи с чем больше молекул диффундирует к другой стороне поры.
Осмос - диффузия воды
Известно, что самым распространенным веществом, диффундирующим через клеточную мембрану, является вода. Обычно количество воды, проходящей в каждом направлении через мембрану эритроцита в секунду, эквивалентно 100 объемам клетки. Однако в норме количество воды, диффундирующее в обоих направлениях, сбалансировано настолько точно, что общая диффузия воды равна нулю. Следовательно, объем клетки остается постоянным. Однако при определенных условиях может возникать различие в концентрации воды по обе стороны мембраны точно так же, как и различия в концентрации для других веществ.
Когда это случается, через клеточную мембрану действительно происходит направленное движение воды, приводящее к набуханию или сморщиванию клетки, в зависимости от направления этого движения. Этот процесс направленного движения воды, связанный с различием ее концентрации, называют осмосом.
Пример осмоса представлен на рисунке, где с одной стороны мембраны — чистая вода, а с другой — раствор хлорида натрия. Молекулы воды через клеточную мембрану проходят легко, тогда как ионы натрия и хлора — с трудом. Следовательно, раствор хлорида натрия фактически является смесью проникающих через мембрану молекул воды и не проникающих через нее ионов натрия и хлора. Про такую мембрану говорят, что она избирательно проницаема для воды, но гораздо менее проницаема для ионов натрия и хлора.
В то же время присутствие ионов натрия и хлора вытесняет часть молекул воды со стороны мембраны, где представлены эти ионы, и поэтому концентрация молекул воды здесь меньше, чем в чистой воде. В результате, больше молекул воды ударяются оканалы с левой стороны, чем с правой, где концентрация воды снижена. Так происходит общее движение воды слева направо, т.е. осуществляется осмос из чистой воды в раствор хлорида натрия.
Осмос через клеточную мембрану, с одной стороны которой находится раствор хлорида натрия, а с другой - вода.
