Biofizica Totalizare (Prelegeri) 2 [PDF]

Zitiervorschau

1.Transformări de fază. Cristale lichide. Clasificarea, structura, proprietăţile şi utilizarea lor în practica medicală. Trecerea substaneti dintro stare de agregare in alta se numeste transformare de faza. Ea se realizeaza in anumite conditii de temperatura si presiune. Punctul triplu este cel in care coexista toate cele trei stari de agregare si e caracterizat de o anumita temperatura si presiune specifice substantei respective. Punctul critic este cel peste a carui temperatura gazul nu mai poate fi lichefiat, indiferent cit de mult ar creste presiunea. Este cunoscut faptul ca substantele cristaline, spre deosebire de substantele izotrope poseda o temperatura concreta a transferului de faza solid – lichid. Cristalele lichide sunt substante organice la care tranzitia solid – lichid nu se face direct, ci trecind prin faze intermidiare stabile. Fazele intermidiare se numesc: mezofaze, faze mezomorfe sau fluide condensate cu anizotropie spontana. Exista 2 clase mari de cristale lichide: termotrope si Liotrope. Termotrope se numesc substantele care trec in faza de cristal lichid prin modificarea temperaturii, iar cele care trec in faza de cristal lichid prin modificarea concentratiei lor in solutie se numesc liotrope. Cristalele lichide termotrope se obtin prin incalzirea cristalelor solide si sunt formate din compusi organici cu molecule lungi sau uneori cu molecule in forma de disc. Unele materiale termotrope, supuse incalzirii, trec din faza solida in cea lichida prin mai multe mezofaze. Astfel de materiale se numesc polimorfe, iar fenomenul – polimorfism. In functie de orientarea spatiala a moleculelor, cristalele lichide termotrope, la rindul lor se imart in 3 grupe. Nematice sunt substantele in care axa lunga a moleculelor se aliniaza intro directie preferentiala , fara sa apara o structura stratificata. Cristalele lichide nematice au o transparenta de aproape 100%, sunt lipsite de activitatea oprica si pastreaza orientarea moleculelor timp indelungat. Colesterice sunt substantele in care axele lungi ale moleculelor sunt orientate paralel, insa directia de orientare se roteste continuu sub un anumit unghi,  de la un strat la altul, determinind o structura stratificata si elicoidala.

Cristalele lichide colesterice sunt optic active au  proprietatea de asi schimba culoarea in intregul domeniu vizibil in functie de temperatura ceea ce face utilizarea lor direct indicatori de temperatura in medicina. Variatia temperaturii colestericului schimba pasul spiralei, iar in consecinta, si culoarea luminii reflectate de el, ceea ce este apreciata de observator ca schimbare a culorii cristalului. Exista colesterice cu sensibilitatea ridicata la temperatura, cu ajutorul carora se poate depista variatia temeraturii cu osutime de grad. In acest scop se folosesc colesterice incapsulate in pelicule subtiri polimerice. Aplicarea unei astfel de pelicule pe suprafata corpului reda tabloul in culori de distribuire a temperaturii pe sectorul cercetat. In unele cauri pentru aceleasi scopuri se folosesc unguente speciale ce contin colesteric dispersat marunt, trasindul pe suprafata pielii. Metoda de vizualizare a cimpurilor de temperaturi pe  suprafata corpului se numeste termografie. Prin aceasta metoda se depisteaza centrele de inflamatie ascunse sub piele si formatiunile canceroase. Pelicule cu colesterol, utilizate in calitate de termometre, sunt confortabile si lipsite  de pericol. Smectice sunt substantele care poseda o structura stratificata , axa lunga a moleculelor fiind orientata normal sau inclinat fata de planul stratului Cristalele lichide liotrope se aseamana cu cele termotropep rin fluiditatea si orientarea moleculelor, dar se deosebesc prin compozitie, avind structuri formate dintrun numar mare de molecule care contin doua parti cu caractere diferite una hidrofila si alta hidrofoba.

Dupa criteriul fazelor. Faza repprezinta o parte omogena a unui sistem , marginita de celelalte parti prin suprafete, la nivelul carora are loc o variatie brusca a proprietatilor fizico – chimice. Zona de separatie este numita de interfata. In functie de tipul fazelor, sistemele desperse pot fi: Monofazice: cuprind o singura faza, lipsite de discontinuitati si sunt omogene (proprietati identice in toate punctele sistemului) Polifazice-heterogene: intre partile componente exista suprafete de separare(ceata, aerosoli, spuma, lichid si gaz) Drept criteriu de clasificare poate servi si starea de agregare a solventului( solvitul poate fi gaz, lichid sau solid). Sistemele desperse pot fi: Gazoase – substanta dispersanta este un gaz (amestecurile gazoase, vapori din aer, ceata) Lichide – substanta dispersanta este un lichid (lichidele nemiscibile, gaze) Solide – substanta dispersanta este un solid (unele aliaje). Aceasta caracteristica a solutiilor poate fi exprimata in citeva moduri . Concentratia ponderala reprezinta masa solvitului pe unitatea de volum de solvent. Se noteaza cM si se exprima in g l-1 sau in SI kg m-3.

2. Definiţia şi clasificarea soluţiilor. Diferite moduri de exprimare a concentraţiei soluţiilor. Un amestec care rezulta din dispersarea unei sau citorva specii moleculare, numit solvit; printre alte specii moleculare, numita solvent, In biologie, solventul de baza este apa. Exista citeva criterii de clasificare a sistemelor disperse. Dupa gradul de dispersare ( Δ = 1/d) (inversul diametrului particulei dispersate). Aceasta clasificare presupune forma sferica a particulelor dispersate si nu poate fi aplicata in toate cazurile. Dupa numarul ( n) atomilor cuprinsi in particula dispersata.

Concentratia molara ( molaritatea ) reprezinta numarul de moli de solvit pe unitatea de volum de solutie , se noteaza CM si se exprima in mol l-1 sau in SI kmol m-3 . M

M

C =

c M

=

1 g l−1 −1 180 g mol

= 5,5 10-3

mol l -1 Concentratia molara reprezinta numarul molilor de solvit dizolvati intro unitate de masa de solvent. Se noteza Cm si se exprima in mol kg -1 sau in SI kmol m -3. Concentratia osmotica reprezinta numarul osmolilor intro unitate volumica de solutie, se noteaza C0 si se exrima in osmoli l -1. Un osmol contine NA particule mnobile din solutie, care pot fi: molecule, atomi, ioni sau agregatele lor.

In solutiile neutre, numarul de osmoli coincide cu numarul de moli. Prin urmare: C0 = CM osmoli l -1

din concentratia totala de ioni poate participa liber la conductie. A = γ CM ; γ- coeficintul de activitate ,

I

Mobilitatea ionilor – in cimpul electric cu intesitatea E asupra ionului cu sarcina q actionea:

M

C = ν C – disocierea 100 %

⃗ F =q ⃗ E

CI = α ν CM – disociere α % Concentratia echivalenta(normala). Un echivalent (Eq) reprezinta cantitatea de substanta care contien NA sarcini electrice elementare. Concentratia echivalenta CN reprezinta numarul de Eq de solvit la un litru de solutie. N

Titrul – exprima raportul dintre masa solvitului si masa solutiei. Daca unitatile sunt aceleasi, titrul se exprima in procente. τ =

masa de solvit masade solvit +masa de solvent

3. Proprietăţile electrice ale soluţiilor. Gradul de disociere, tăria ionică, activitatea de concentraţie şi numărul de1. transport. Conductivitatea electrică a soluţiilor. Puntea lui Kohlrausch. Fortele de atractie care asigura coeziunea dintre atomi in cristale se supun legii lui Columb. In apa aceste forte diminueaza de 80 ori, ceea ce duce la disocierea moleculelor de ioni liberi. Gradul de disociere – raportul dintre numarul moleculelelor disociate (n) si numarul total al moleculeleor de sovit (n0). d = n/n0

≤

1.

Taria ionica – reprezinta o valoare numerica care caracterizeaza gradul de proprietati electrostatice ale solutiei.

;

C

U=

q 6 π ηr

- ionaritatea

exprimata in moli de ioni pe litru, Zi - sarcina ionului i Activitatea de concentratie – in solutii reale datorita interactiunii dintre ioni, doar o fractiune γ

2.

ρ=

Se considera mobilitatea ionului. In consecinta

⃗ V =U ⃗ E

; η- coeficientul de viscozitate a

solutiei, r – raza ionului, V – viteza Mobilitatea este viteza miscarii uniforme a ionului in solutie sub actiunea unui cimp electric unitar.

RS l

l S

(Ω);

unde S – supradata electrozilor in

m2, l – distanta dintre electrozi in m, ρ – rezistivitatea in Ω m Conductivitatea electrica este marimea inversa a rezistivitatii si se exprima prin relatia

χ=

Numar de transport - determinind experimentul mobilitatea ionilor pozitivi (U+) si a celor negativi (U-) pentru un electrolit, putem defini doua raporturi:

100 %

I i

Miscarea lui in solutie este frinata de viscozitatea mediului prin definitie termenul

M

Daca un ion are o sarcina Z, C = ZC . De exemplu , concentratia echivalenta a cationilor dintro solutie de 10 -3 mol l -1 de CaCl2 este : CN = 2 10 -3 Eq l -1 = 2 mEq l -1

1 μ= Σ CiI z 2i 2

relatia: R= ρ

CM - concentratia molara.

Concentratia ionica(ionaritatea) se noteaza prin C1 si se exprima g ioni l -1 sau moli ioni l -1 :

electrolitice cu rezistivitatea ρ se determina din

1 -1 -1 ρ Ω m ; χ=

l RS

; se mai

foloseste si unitatea Siemens · m-1 Conductivitatea solutiei poate fi calculata din relatia lui Kohlraush, cunoscind U+ si U-(pentru un electrolit binar, doua categorii de ioni) cu valenta Z ( numarul de legaturi dintre anioni si cationi). Ea are expresia χ= FCM Z α (U+ + U-) ; unde F – numarul leui Faraday = 96500 C/mol; CM – concentratia molara a electrolitului in mol · m-3.

+¿+U −¿ U¿ U + ¿¿ I +¿ =¿ I +¿=¿ t¿

, numit numarul de

Conductivitatea solutiilor poate fi determinata si experimental, utilizind schema electrica, numita puntea lui Kohlrausch, unde R – rezistenta solutiei din cuva de masurare; R1 si R2 – rezistenta variabilei; R3 – rezistenta cunoscuta. Variind marimea rezistentelor R1 si R2, puntea se echilibreaza, galvanometrul semnalizeaza lipsa curentului. In aceste conditii are loc relatia:

transport al cationilor

+¿+U −¿ U¿ U −¿ ¿ I −¿ =¿ I −¿=¿ t¿

, numit numarul de

transport al anionilor I – intesitatea curentului total dintre electrozi; I+ fractiunea de curent corespunzatoare cationilor; I- fractiunea de curent corespunzatoare anionilor. Coductivitatea unei solutii ionice apoase – solutii electrolititce sunt buni coductori de curent electric. Rezistenta electrica a unei solutii

R R R2 = , unde R=R 1 2 ; R 1 R3 R3 Cunoscind rezistenta R, se determina coductivitatea solutiei: χ =

l RS

; unde l –

distanta dintre electrozii din cuva de masurare; S – supradata electrozilor, Raportul l/s este numit constanta cuvei.

4. Biofizica fluidelor. Presiunea statică a fluidelor şi unităţile de măsură. Presiunea arterială. Fluidelor apartin gazele si lichidele. Se diferentiaza fluide perfecte (ideale) si fluide reale. Spre deosebire de corpurile solide fluidele constau din molecule mobile si sunt lipsite de forma proprie.

Presa hidraulica este un dispozitiv de amplificare a fortei , cu un factor de multiplicare egal cu raportul dintre suprafetele pistoanelor. Presa hidraulica se foloseste la scaunele din cabinet stomatologic, precum si la frinele hidraulice, pistoanele pe care se apasa corespunzind ramurii de sectiune mica

In stare gazoasa moleculele fluidului sunt libere si ocupa tot spatiul incintei in stare stare in care se afla. Gazele sunt comprimabile si elastice. Cele considerate perfecte se supun legii lui MendeleevClapeyron: P V= v R T ; unde P – presiunea in pascali (Pa), V – volumul in m3 ; T – temperatura aboluta in oK; ν – numarul molilor de gaz; R – constanta universala a gazelor. In stare lichida fluidul capata forma vasului in care se contine. Lichidul in vase are suprafata libera de separatie cu aerul: plana si orizontala. Practic, lichidele pot fi considerate incomprimabile. Presiunea statica a unui fluid, conform definitiei generale a presiunii, reprezinta forta pe care el o exercita pe o unitate de suprafata:

F S

P

=

unde: P – in pascali (Pa); F – in newtoni

(N); S – in m2

Pentru a simplifica vom considera fluidele ca fiind incomprimabile(densitatea ρ este aceeasi in orice punct), iar curgerea – in regim stationar ( viteza de curgere intrun anumit punct nu variaza in timp) In aceasta situatie viteza de curgere a fluidului printrun tub cu sectiune variata, situat orizontal, variaza in asa mod, incit produsul dintre viteza (v) si aria sectiunii transversale (S) in orice loc al tubului este acelasi: S1 v1 = S2 v2 = ........=Sn vn ; S v = constant. Relatia reprezinta expresia matematica a ecuatiei de continuitate

Presa hidraulica

Dispozitivul pentru presiunea atmosferica

Presiunea atmosferica este produsa de coloana de aer de deasupra pamintului. Dispozitivul utilizat in acest scop mai sus in imagine. Un tub de sticla , astupat la un capat, se umple cu mercur, apoi, tinind astupat celalalt capat, se rastoarna intrun vas cu mercur. Nivelul mercurului in tub coboara pina la o anumita inaltime in raport cu nivelul mecurului in vas. Aceasta are loc cind presiunea creata de coloana de mercur este echilibrata de presiunea atmosferica. La nivelul marii, colana de mercur in tub este de 760 mm. Presiunea intrun anumit punct dintrun lichid in echilibru, cu suprafata deschisa, depinde numai de inaltimea coloanei de lichid deasupra punctului( h) si de densitatea lichidului (ρ): P = ρgh, unde g – acceleratia gravitationala .

Ecuatia lui Bernoulli

Conform legii conservarii energiei in mecanica, energia totala a unei mase m de lichid in orice loc al tubului sa fie aceeasi: P1V+

In doua puncte dintrun lichid, situate la aceeasi inaltime, presiunile sunt egale .

Conform legii lui Pascal, in fluide, pentru acelasi nivel, presiunea se transmite in toate directiile la fel , al carei principiu de functionare presupune utilizarea unui piston de suprafata mica (S1) , prin intermediul caruia se exercita o forta mica (F1) direct asura unui lichid.

Diferenta de presiuni P2 – P1 dintre doua puncte de acelasi lichid este egala cu produsul dintre diferenta inaltimilor la care se afla punctele h2 – h1, densitatea lichidului (ρ) si acceleratia caderii libere (g), luate cu semn opus. P2 – P1 = -ρg (h2 – h1)

S2 S 1 F1

+ mgh1

+ mgh2 ; unde V – volumul

masei de fluid, P – presiunea statica intrun anumit loc dat al tubului : Impartind relatia la volumul, obtinem : P1 +

ρV 21 2

+ ρgh2 ,

Din relatia rezulta ca in orice loc al tubului are loc

Conform legii lui Pascal, presiunea p= F1/S1 este transmisa prin tubul de legatura unui cilindru mai larg, prevazut cu un piston de suprafata mai mare

F1 F2 = (S2). Rezulta: p= S S 2 rezulta F2 = 1

= P2V +

mV 22 2

mV 21 2

relatia : P +

5. Dinamica fluidelor. Lichide perfecte. Ecuaţia de continuitate. Legea lui Bernoulli. Cateterul dublu a lui Pitto. Ecuatia de continuietate

ρV 2 2

+ ρgh = const. , unde: P –

presiunea statica in punctul dat, ρ - densitatea fluidului, V – viteza de curgere, h – inaltimea punctului in curentul de fluid. Aceasta relatie reprezinta presiunea totala a lichidului si se numeste ecuatia lui Ber noulli.

1 2

omogen este descrisa de legea lui Fick. 2

ρV se numeste presiunea dinamica; pgh

– presiunea hidrostatica. In cazul in care tubul prin care curge lighidul este situat orizontal ( h =const.) , ecuatia devine :

P+

1 2

ρV 2 = const.

Presiunile statica, dinamica si totala pot fi masurate usor cu un dispozitiv simplu, numit cateterul dublu al lui Pitto

determina din relatia lui Einstein: Termeni folositi: flux si gradient Fluxul reprezinta cantitatea de substanta, sarcina, energie. Transportata printr-o suprafata oarecare intr-o unitate de timp. In cazul fenomenul de difuzie se utilizeaza fie flux masic:

molar

∆V ∆γ

∆m ∆t

sau flux

unde gama este nr. De moli.

Gradient este variatia unei marimi intre doua puncte ale spatiului, raportata la distanta dintre cele doua puncte. Gradienti de densitate

concentratie Tubul manometric cu sectiunea paralela directiei de curgere masoara presiunea statica, iar cel cu sectiunea perpendiculara pe directia curgerii – presiunea statica, iar cel cu sectiunea perpendiculara pe directia curgerii – presiunea totala. Dupa cum se observa din figura, diferenta dintre aceste presiuni este presiunea dinamica. Acest dispozitiv, inzestrat cu un manometru de mercur, este utilizat deseori si pentru determinarea vitezei de curgere a fluidului, scara manometrului fiind gradata direct in unitati de vieza. Legea lui Bernoulli are frept consecinta faptul ca in portiunile ingustate ale borelui circular, unde viteza de cisrculatie este mai mare, presiunea laterala este minima. De aceea, in cazul de ingustare prin ateroscleroza, fenomenul duce la accentuarea inchiderii lumenului vascular in locul obstructiei.

Difuzia reprezinta un transport de substanta intre zone de concentratie diferita sau potential electric diferit, datorita agitatiei termice. In scopul elucidarii acestui fenomen vom folosi o eprubeta gradate, care contine o solutie de eozina in partea de jos si apa pura in partea de sus. Se va observa ca moleculele sau ionii de eozina migreaza treptat din solutie in apa pura. Fenomenul reprezinta o difuzie simpla deoarece se realizeaza in lipsa interventiei fortelor fizice din exterior. Sub aspect cantitativ, difuzia intr-un mediu support

∆ρ ∆x

sau gradient de

∆c ∆x

Prima lege a lui Fick are urmatorul enunt: masa de substanta ce se difuzeaza normal printr-o suprafata oarecare este proportional cu aria suprafetei gradientului de concentratie si durata timpului. Din imagine rezulta ca gradientul de concentratie ponderala se determina din relatia:

Cᴹ 2−Cᴹ 1 x 2−x 1

∆ Cᴹ ∆x =

(1)

Asadar legea lui Fick are urmatoarea expresie matematic a:

6. . Difuzia simplă. Legea lui Fick. Coeficientul de difuzie. Noţiune de potenţial chimic şi electrochimic.

D este definit ca cantitate de substanta care difuzeaza intr-o unitate de timp prin unitate de suprafata, cind gradientul de concentratie este unitar. Intr-un mediu fluid, coeficientul de difuzie se

∆ m=−DS

∆ Cᴹ ∆ t (2) ∆x

unde D este coeficientul de difuzie (m2 x s-1) S- aria suprafetei de difuzie ( m2 ) CM – concentratia ponderala ( kg/m3) O alta expresie echivalenta a primei legi a lui Fick se obtine folosind notiunele de concentratie molara (CM) ) si cantitate de substanta (V)

∆ V =−DS

∆ Cᴹ ∆ t (3) ∆x

Semnul minus apare deoarece fluxul de substanta are directia de la concentratie mare la concentratie mica, adica in directia gradientului de concentratie.

D=

KT f

(4) Unde T- este temparatura absoluta, K – consnstanta lui Boltzman (1,38 * 10-23 J*K-1) f- un coefficient de frecare la miscarea particulei intr-un mediu fluid. Pentru particule sferice de raza r, care se deplaseaza intr-un fluid cu coeificientul de viscozitate µ si viteza constanta, forta de frecare este data de legea lui Stokes F= 6πµrV In acest caz ceof de frecare = 6πµr, iar coef de difuzie: D=

KT 6 π µr

In cazul in care concentratia varaiaza si in timp, difuzia este non-stationara, si guvernnata de legea a doua a lui Fick, care are urmatorul enunt: variatia in timp a concentratie intr-o regiune data a solutie este proportional cu variatia in spatiu a gradientului de concentratie:

dC d 2C =−D dt dx 2 -Notiune de potential electrochimic In functie de concentratia la care se afla, solvitul poseda o anumita energie potentiala, numit potential chimic - µk. El este atributul tuturor constituentilor dintr-o solutie si se determina din realatia: µkI=µ01+RT ln CMI (6) unde: I – componenta solvitului, CMI – concentratia molara, R- constanta universal a gazelor, Ttemperature absoluta, µ01 – pootentialul standart Intr-o solutie electrolitica exista si energie potential electrica, care pentru un mol de ioni se determina din relatia: µe K= VnF unde V- potentialul electronic in punctual dat, nvalenta ionului, F- numarul lui Faraday. Energia potentaiala totala se numeste potential electrochimic (µe –K) si se determina din relatia: µe –K = µ0 + RT ln CM +- VnF Conform celor expuse mai sus, difuzia libera reprezinta transportul de substanta din zona cu potential electrochimic mai mare spre zona cu potential electrochimic mai mic.

7. Difuzia prin membranele artificiale. Schema de principiu a unui dispozitiv de dializă.

Multimile membranelor cunoscute in present si utilizate in dif domenii se impart in doua grupe mari: artificial si naturale. Membranele artificiale pot fi semipermiabile sau selective permeabile. Cele semipermiabile permit trecerea moleculelor solventului insa nu si trecerea moleculilelor solvitului. Ca urmare are loc difuzia solventului din compartimentul cu solutie hipotonica, in compartimentul cu solutie hipertonica. AStfel de difuzie se numeste osmoza.

Membranele artificiale cum sunt cele din cilofana sau din diferite material plastic isi gasesc numeroase aplicatii in cercetarile stiintifice si in practica medicala. Proprietatea comuna a tuturor acestor material este ca ele sunt substante poroase ce permit trecerea micromoleculelor si retin macromoleculele de exemplu in practica medicala este folosita pe larg membrane artificial pentru dializa. Procedura dializei are principiul functionarii rinichiului artificial si permite de a purifica odata la 2 -3 zile single pacientului cu insuficienta renala. Schema de principiu a unui dispozitiv de dializă. Membranele echivalente cu membrane de dializa pot fi utilizate pentru purificarea solutiilor ce contin particule de diferite dimensiuni in cercetarile fizico chimice si farmaciutice

Celulare precum si de functionalizarea acesteiea. Sub aspect numeric lipidele se gasesc in proportia cea mai inalta in structura membrane. Cele mai importante lipide: fosfolipidele si colesterolul. Compozitiile lipidice si proteice ale diferitor membrane variaza: Primul model al membrane biologice a fost propus de catre Overton in anul 1902. El a observant ca prin biomembrane cel mai usor patrund substantele care se dizolva bine in lipide acest fapt ia sugerat ipoteza ca membr biologice reprezinta un monostrat de lipide.Modelul propus de overton a fost confirmat prin faptul ca la suprafata de separate a mediilor polare si nepolare ( aer si apa) lipidele formeaza un strat monomelucular. Lipidelor extrase li s-au creat conditii de etalonare in monostrat. S-a constat ca aria suprafetei monostratului obtinut este de doua ori mai mare decit aria suprafetelor suma ale membranelor eritrocitare. Bazinduse pe acest rezultat s-a propus un nou model conform caruia in membrane lipidele se dispun sub forma de strat dublu. Rezistenta electrica (R ) si capacitatea electrica (C )ale unei unitati de suprafata a membrane au valori relative mari: R= 107 omega/ m2 ; C= 0,5 * 10-2 F/m2 Lipidele sunt dielectrici cu permitivitatea

ε =2

. Capacitatea unui condesator plan se

determina din relatia:

C=

ε 0 εS d

este permitivitatea electrica a vidului (E0= 8,85 *1012 F/m) d-distanta dintre armaturile condensatorului. Astfel a fost elaborate modelul in sandwich conform caruia stratul bilipidic este cuprins intre doua straturi de proteine. Unul dintre neajunsurile acestui model consta in faptul ca structura compacta alcatuita din straturi de lipide si protein nu era compatibila cu difuzia rapida a apei la nivel membranar precum si a unor ion. Ulterior un rol important in studierea structurii biomebranelor apartine metodelor fizice de cercetare effectuate cu mijloace tehnice de inalta precizie. Dintre ele fac parte: difractia cu raze X microscopia electronic si criodecapajul. Posibilitatile de traversare a membranelor biologice sunt: -transportul pasiv- in directia potentialului electrochimic, fara consum de energie metabolica. - transportul active – contra directiei potentialului cu consum de energie metabolica. *Pentru un caz concret, expresia P=

.

8. Difuzia prin membranele biologice. Coeficientul de permeabilitate. Metode fizice în studiul permeabilităţii membranelor celulare. Membrana celulara repr o structura hidrofila care separa solutiile apoase intra si extra celulare.In compozitia membranelor celulare intra: proteine, lipide, hidrati de C, glicoproteine, ioni si apa. Proteinele- sunt principalele macromolecule responsabile de organizarea spatiala a membr.

unde E0

Dβ ∆x

(m/s) este marimea constanta si se numeste coefficient de permeabilitate, fiind determinat de proprietatile bistratului lipidic si de caracteristicile particulei. *Metode fizice studiind permeabilitatea membranelor -Metoda osmotica- evidentierea vitezei de variatie a volumului celulelor introduce in solutiile hipo sau hipertonica. -Metoda indicatorilor – se bazeaza pe nivelul de variatie a culorii continutului intracellular la patrunderea in celula a anumitor substante. -Met. Conductibilitatii electrice – in anumite conditii cind masurarile se efectueaza la frecvente joase ale curentului electric alternative conductibilitatea electrica este in masura permeabilitatii membranei.

Aceasta metoda este utila numai in studiul permeabilitatii membranei pentru ioni. -Met. Atomilor marcati – se bazeaza pe folosirea izotopilor radioactive. Patrunderea substantei in celula sau iesirea din celula poate fi inregistrata cu ajutorul controlului de radiatie ionizate. Studiul permeabilitatii membranelor celulare are o mare importanta pentru medicina indeosebi pentru farmacologie si toxicologie. Efectivitatea preparatelor farmaceutice depinde in mare masura de permeabilitatea membranelor celulare pentru ele.

9. Difuzia facilitată prin membranele celulare şi particularităţile ei. Sisteme de transport activ. Pompa de Na+ - K+. Difuzia facilitata: Multi factori nutritive necesari celulei, fiind molecule hidrofile relative mari, nu pot traversa membrane prin difuzie simpla. In acest caz se apeleaza la un transport mediat de molecule transportatoare, mechanism dif.facilitata. Molecula transportatoare recunoaste molecula sau ionul pentru care este specifica si o introduce in celula sub actiunea gradientului elecctrochimic. Exista mai multe de transport facilitate unul dintre care numit modificare conformationala. *Particularitatile difuziei facilitate: - are o eficienta mai mica decit celei prin canale, insa cu mult mai rapida - are proprietatea de saturatie odata cu cresterea concentratie fluxul de substanta creste numai pina la o anumita limita cind toate molecule transportate sunt déjà ocupate. - cind transportatorii deservesc diferite substante se observa o concurenta: subst cu coefficient de permeabilitate mare impiedica transportul subst. cu coefficient de permeabilitate mic. - exista subst care formeaza compusi stabili cu moleculele tranportatoare blocind in acest fel difuzia facilitata. De exemplu flordzinul excludul transportul zaharidelor prin membrane biologica.Daca transportul unei substante poate fi blocat in modul mentionat se poate conchide ca ea se transporta prin difuzie facilitata. *Sisteme de transport activTransportul pasiv are totdeauna tendinta de a nivela repartitia neuniforma a substantelor in mediile intracellular si extracellular. Cu toate acestea componenta celulara difera essential de componenta mediului extracellular,. In celula se gasesc in cantitati mai mari ionii de potasiu. Ionii neduzabili proteici fosfolipidele anionii de aminoacizi si alti ioni ai subst organice care in lichidul extracellular se gasesc in cantitati neesentiale.Alte substante din contra se contin in cantitati mult mai mari in mediul exterior decit in celula ( de ex ionii de sodiu). Transportul moleculelor si a ionilor contra gradientului electrochimic realizat de celula din contul energiei proceselor metabolice se numeste transport activ.De exemplu la omul in reapaus circa 30-40% din energia proceselor metabolice se cheltuiesc pentru asigurarea transportului active. Complexele enzimatice care efectueaza transportul

active se numesc pompe de transport activ. Notiunea de pompa a fost introdusa de catre Hans Ussing pentru a sugera faptul ca fenomenul de transport active se produce cu consum de energie. Pompa Na+ si K+ - Pompa de sodium-potasiu este de o mare importanta fiziologica. Gradientul Na+-K+ controleaza volumul celulelor, determina excitabilitatea nervilor si muschilor. Pompa Na+-K+ poate functiona in citeva regimuri. In membrane celulara exista o subst speciala

liposolubila numita X care ia nastere pe fata interioara a membranei si are o diosebita afinitate pentru ionul de NA+.Catare se unseste cu un ion de Na+ din mediul intracellular formand compusul XNa+. Compusul deplasat de XNa+ spre exteriorul membranei unde actioneaza cu o enzima ce transforma subst X intr-o alta subst Y. Ultima nu mai are afinitate pentru ionul de Na+ si din aceasta cauza este expulzat in mediul extracellular. Subst Y are insa afinitate pentru ionul de K+ din mediul

extracellular formind compusul care se deplaseaza spre fata interioara a membranei.Folosind energia metabolica subst Y redevine X si ionul de K+ este eliberat in mediul intracellular. Ea poate transporta ionii de potasiu si sodium in raport 1:1, 1:2, 1:3, 2:3 Sistemul de transport active reprezinta cel mai efficient mechanism care determina permeabilitatea selectiva a membranelor celulare.