Механизм простой диффузии кратко

Обновлено: 05.07.2024

Вы когда-нибудь задавались вопросом: благодаря чему мы ощущаем приятные запахи, почему растворяется сахар в чае, каким образом происходит загрязнение воздуха и атмосферы? На все эти вопросы нам поможет ответить понятие "Диффузия".

Диффузия - это процесс проникновения молекул одного вещества между молекулами другого вещества. Основная причина диффузии: постоянное движение молекул. Возникает диффузия из-за стремления к равновесию.

Диффузия происходит в трех средах: в газах, в жидкостях, в твердых телах.
Диффузия в газах происходит быстрее всего, она занимает всего несколько секунд или минут. Диффузия в жидкостях может занимать от нескольких минут до нескольких часов. Диффузия в твердых телах протекает с течением нескольких лет. Но эти процессы можно ускорять с помощью повышения температуры или при внешнем воздействии.

Явление диффузии есть в каждой аспекте нашей жизни: питание, дыхание животных и растений. Также явление диффузии несет в себе и разрушающий для аспект: загрязнение природы.

Механизмы диффузии в клетке. Диффузия через белковые каналы

Диффузию через клеточную мембрану разделяют на два подтипа: простую диффузию и облегченную диффузию. Простая диффузия означает, что кинетическое движение молекул или ионов происходит через отверстие в мембране или межмолекулярные пространства без какого-либо взаимодействия с мембранными белками-переносчиками. Скорость диффузии определяется количеством вещества, скоростью кинетического движения, числом и размером отверстий в мембране, через которые могут перемещаться молекулы или ионы.

Облегченная диффузия требует взаимодействия с белком-переносчиком, который способствует транспорту молекул или ионов, связываясь с ними химически и в такой форме курсируя через мембрану.

Простая диффузия может происходить сквозь клеточную мембрану двумя способами: (1) через межмолекулярные промежутки липидного бислоя, если диффундирующее вещество растворимо в жирах; (2) через заполненные водой каналы, пронизывающие некоторые крупные транспортные белки, как показано на рис. 4-2 слева.

Транспортные пути через клеточную мембрану и основные механизмы транспорта.

Диффузия жирорастворимых веществ через липидный бислой. Одним из наиболее важных факторов, определяющих скорость диффузии вещества через липидный бислой, является его растворимость в липидах. Например, кислород, азот, углекислый газ и спирты имеют более высокую растворимость в липидах, поэтому могут непосредственно растворяться в липидном бислое и диффундировать через клеточную мембрану точно так же, как диффундируют водорастворимые вещества в водных растворах. Очевидно, что величина диффузии каждого из этих веществ прямо пропорциональна их растворимости в липидах. Этим путем может транспортироваться очень большое количество кислорода. Таким образом, кислород может доставляться внутрь клеток практически так же быстро, как если бы клеточной мембраны не существовало.

Диффузия воды и других нерастворимых в жирах молекул через белковые каналы. Несмотря на то, что вода совсем не растворяется в липидах мембраны, она легко проходит через каналы в белковых молекулах, пронизывающих мембрану насквозь. Поражает быстрота, с которой молекулы воды могут двигаться сквозь большинство клеточных мембран. Например, общее количество воды, которое диффундирует в любом направлении через мембрану эритроцита в секунду, примерно в 100 раз больше, чем объем самой клетки.

Сквозь каналы, представленные белковыми порами, могут проходить и другие нерастворимые в липидах молекулы, если они растворимы в воде и достаточно малы. Однако увеличение размеров таких молекул быстро снижает их проникающую способность. Например, возможность проникновения мочевины через мембрану примерно в 1000 раз меньше, чем воды, хотя диаметр молекулы мочевины всего на 20% больше диаметра молекулы воды. Тем не менее, учитывая поразительную скорость прохождения воды, проникающая способность мочевины обеспечивает ее быстрый транспорт через мембрану в течение нескольких минут.

Диффузия через белковые каналы

Компьютерные трехмерные реконструкции белковых каналов продемонстрировали наличие трубчатых структур, пронизывающих мембрану насквозь — от внеклеточной до внутриклеточной жидкости. Следовательно, вещества могут двигаться по этим каналам путем простой диффузии с одной стороны мембраны на другую. Белковые каналы отличаются двумя важными особенностями: (1) они часто избирательно проницаемы для определенных веществ; (2) многие каналы могут открываться или закрываться с помощью ворот.

Избирательная проницаемость белковых каналов. Многие белковые каналы высокоизбирательны для транспорта одного или нескольких специфических ионов или молекул. Это связано с собственными характеристиками канала (диаметром и формой), а также с природой электрических зарядов и химических связей выстилающих его поверхностей. Например, один из важнейших белковых каналов — так называемый натриевый канал — имеет диаметр от 0,3 до 0,5 нм, но, что более важно, внутренние поверхности этого канала заряжены сильно отрицательно. Эти отрицательные заряды могут затягивать мелкие дегидратированные ионы натрия внутрь каналов, фактически вытягивая эти ионы из окружающих их молекул воды. Оказавшись в канале, ионы натрия диффундируют в любом направлении согласно обычным правилам диффузии. В связи с этим натриевый канал специфически избирателен для проведения ионов натрия.

Транспорт ионов натрия и калия через белковые каналы. Показаны также конформационные изменения в белковых молекулах, открывающие или закрывающие ворота каналов.

просто диффузия это процесс, с помощью которого растворенные вещества перемещаются вдоль градиент концентрации в решение или через полупроницаемая мембрана, Простая диффузия осуществляется под действием водородных связей, образующихся между молекулами воды и растворенными веществами. Молекулы воды движутся, чтобы окружить человека растворенное вещество молекулы, которая максимизирует водородные связи. Однако водородные связи чрезвычайно временны, и в результате раствор постоянно перемешивается. Это помогает равномерно распределить растворенное вещество по всему раствору. Если молекулы достаточно малы, эта простая диффузия может происходить через клетка мембраны, между отдельными фосфолипидами, которые составляют мембрану. Вода может двигаться вдоль градиента концентрации через клеточная мембрана таким образом, форма простой диффузии, известная как осмос.

В отличие от простой диффузии, клеточные мембраны часто содержат специализированные мембранные белки, которые помогают транспортировать вещества через мембрану. Это известно как облегченная диффузия, Облегченная диффузия включает в себя как активный, так и пассивный транспорт растворенных веществ через мембрану. Активный транспорт использует АТФ, чтобы обеспечить энергию для белков, обеспечивающих транспорт. В отличие от простой диффузии, молекулы могут двигаться против градиента с помощью активный транспорт системы. Простая диффузия присутствует в ряде биологических систем, включая доставку кислорода, воды и других небольших молекул в клетки организма. В то время как многие растворенные вещества обладают способностью проходить через мембрану посредством простой диффузии, клетки часто имеют белковые каналы для ускорения процесса.

Примеры простой диффузии

Углекислый газ

бактерии

Будучи простыми организмами, они есть, бактерии у меня нет другого способа потреблять питательные вещества, кроме как распространять их через клеточную мембрану. Хотя они используют облегченную диффузию для транспортировки большинства питательных веществ, они полагаются на простую диффузию для доставки кислорода, воды и небольших питательных веществ в цитоплазма, В их клетках нет специализированных органелл, чтобы удерживать или транспортировать вещества, поэтому бактерии полагаются на простую диффузию материала в своих клетках, чтобы обеспечить наличие материалов для реакции, которая контролирует их жизненные процессы.

Облегченная диффузия – Распределение вещества по клеточной мембране с использованием специализированных встроенных транспортных белков.
Пассивный транспорт – Использование белков для облегчения диффузии растворенного вещества по градиенту через клеточную мембрану.
Активный транспорт – Использование белков и энергии для транспортировки вещества, даже против их градиента через мембрану.
осмос – Простая диффузия воды вдоль ее градиента в растворе или через мембрану.

викторина

1. Кубик соли опускается в стакан с водой. Через час куб исчез. Что из следующего произошло?A. Простое распространениеB. Облегченная диффузияC. осмос

Ответ на вопрос № 1

верно. Это случай простой диффузии. Поваренная соль состоит из матрицы двух ионов: натрия (Na +) и хлорида (Cl–). Вода в стакане сразу же начала отрабатывать молекулы с блока, как только она упала в стакан. Водородные связи, образующиеся между молекулами воды и ионами соли, разделяют ионы соли и равномерно распределяют их между молекулами воды. Когда вода попадает в блок, молекулы соли в конечном итоге полностью окружаются молекулами воды. Водородные связи продолжают перемещать молекулы воды вокруг и полностью окружают каждый ион соли, пока соль больше не будет видна в растворе.

2. У некоторых организмов в клеточных мембранах содержатся белки, называемые аквапоринами, которые обеспечивают легкий путь прохождения воды через мембрану. Тем не менее, вода будет проходить через осмос через мембрану без этих белков. Если клетка подвергается воздействию гипотонический В окружающей среде вода проникает через аквапорины и клеточную мембрану в клетку. Что из следующего происходит?A. Простая диффузияB. осмосC. Осмос и облегченная диффузия

Ответ на вопрос № 2

С верно. Простая диффузия воды известна как осмос. У него есть отдельное название, чтобы различать, когда вода движется без растворенных веществ, как в случае воды, проходящей через клеточную мембрану. Растворенные вещества, первоначально распределенные в воде, остаются позади, поскольку вода стремительно уравновешивает концентрацию растворенных веществ в клетке. Аквапорин – это особые мембранные белки, которые облегчают диффузию воды в клетку.

3. Кислород, используемый дл�� дыхания, является очень маленькой молекулой. В некоторых небольших организмах органы дыхания не нужны, потому что кислород движется непосредственно через клеточную мембрану и в каждую клетку. Какой процесс отвечает за это?A. Облегченная диффузияB. осмосC. Простая диффузия

Ответ на вопрос № 3

С верно. Кислород распространяется через морскую среду благодаря простой диффузии. Кислород обычно образует связь со второй молекулой кислорода и распространяется как O2. Эти маленькие молекулы могут образовывать водородные связи и также достаточно малы, чтобы диффундировать непосредственно через клеточные мембраны. Даже у крупных организмов не требуется специальных белков для перемещения кислорода в клетки, он диффундирует прямо из легких в кровь клетки и по всему телу.

Величины, входящие в уравнения диффузии, приобретают конкретное физическое содержание в том случае, если известен механизм диффузии или, по крайней мере, о нем высказаны какие-либо предположения.

Возможные механизмы диффузии (рис. 1.1):

1. Простой обмен.

2. Циклический обмен.

3. Вакансионный.

4. Простой междоузельный.

5. Междоузельный механизм вытеснения.

6. Краудионный.

Рис. 1.1. Механизмы диффузии

Обменный механизм (1) заключается в том, что два соседних атома меняются местами. Очевидно, что вероятность такого обмена в плотно упакованной решетке очень мала по сравнению с вероятностью перемещения, в котором участвует только один атом (3). Циклический (или кольцевой) обменный механизм (2) имеет несколько большую вероятность в кристалле, чем простой обменный (1).

При движении по механизму вытеснения (5) атом попадает в междоузлие, затем выталкивает ближайшего соседа из узла, становится на его место, вытесненный атом выталкивает следующего соседа и т.д. При движении по этому механизму в отличие от обычного междоузленного (4) в элементарном акте участвует не дин, а два атома. После каждого элементарного акта в междоузлии оказывается новый атом. Искажения решетки при таком перемещении и, следовательно, энергия активации диффузии существенно меньше, чем при движении непосредственно по междоузлиям одного и того же атома.

Краудион (от английского crowdion – скопление, толпа) – это группа атомов, сжатая (обычно вдоль направления плотной упаковки) за счет наличия в ряду лишнего атома (6). Диффузия происходит благодаря небольшим смещениям каждого атома ряда вдоль этого направления. Таким образом, перемещение при краудионном механизме диффузии сродни распространению волны: каждый атом смещается мало, а возмущение распространяется быстро. Естественно, что этот процесс имеет сравнительно низкую энергию активации. Краудионный механизм играет заметную роль при отжиге радиационных дефектов, а также при переносе вещества под действием напряжений, создающих локальную деформацию кристалла.

Причины

Причиной возникновения диффузии является тепловое движение частиц (атомов, молекул, ионов и т. д.).

Чтобы более детально понять, как работают механизмы диффузии, рассмотрим это явление на конкретном примере. Если взять перманганат калия (в народе более известен как марганцовка) (KMnO₄) и растворить в воде (H₂O), то марганцовка в результате диссоциации распадется на K+ и MnO₄-. Также важно заметить что молекула воды поляризирована и существует в виде сцепленных ионов H+ – OH-.

Из-за растворения марганцовки в воде произойдет хаотическое перемещение ионов обоих веществ, вследствие чего сцепленные ионы воды поменяют свой цвет и освободят место для других, еще не реагировавших ионов. Вода поменяет свой окрас и получит специфические свойства. Между водой и марганцовкой совершится диффузия.

Вот так этот процесс выглядит схематически.

Причем движимые частицы во время диффузии, всегда распространяются равномерно по всему предоставленному объему. Сам процесс диффузии занимает определенное время.

Также важно знать, что явление диффузии происходит далеко не со всеми веществами. Например, если воду перемешать не с марганцовкой, а с маслом, то диффузии между ними не будет, так как молекулы масла электрически нейтральны. Образованию какого-то соединения с молекулами воды помешают сильные связи внутри молекулы масла.

Еще стоит заметить, что скорость диффузии значительно увеличится при увеличении температуры, что вполне логично, ведь с увеличением температуры возрастет скорость движения частиц внутри вещества и как следствие, повышается шанс их проникновения в молекулы другого вещества.

Формула

Процесс диффузии в двухкомпонентной системе записывается при помощи закона Фика, и соответствующего уравнения:

В этом уравнении J – плотность материала, D – коэффициент диффузии, а ac/dx – градиент концентрации двух веществ.

Коэффициентом диффузии называют физическую величину, которая численно равна количеству диффундирующего вещества, которое проникает за единицу времени через единицу поверхности, если разность плотностей на двух поверхностях, находящихся на расстоянии равном единице длины, равна единице. Важно заметить, что коэффициент диффузии зависит от температуры.

В твердых телах

В твердых телах диффузия происходит очень медленно, если вообще происходит. Ведь для твердых тел характерно наличие кристаллической решетки, а все частицы расположены упорядочено.

Примером диффузии твердых тел может быть золото и свинец. Расположенные на расстояние 1 метра друг от друга, при комнатной температуре в 20 С, эти вещества будут понемногу проникать друг в друга, но будет это все идти очень медленно, подобная диффузия станет заметной не ранее чем через 4-5 лет.

В жидкостях

Скорость протекания диффузии в жидкостях в разы выше, нежели в твердых телах. Связи между частицами в жидкости гораздо слабее (обычно их энергии хватает максимум на образование капель), и взаимному проникновению частиц в молекулы двух веществ ничто не мешает.

Правда то, как быстро будет проходить диффузия, зависит от характера и консистенции жидкостей, в более густых растворах она происходит медленнее, ведь чем гуще жидкость, тем более сильные в ней связи между молекулами и тем труднее молекулам и частицам проникать друг в друга. Например, смешивание двух жидких металлов может занять несколько часов, в то время как смешивание воды и марганцовки (из примера выше) осуществляется за минуту.

В газах

В газах диффузия происходит еще быстрее, чем в жидкости, связи между частицами газообразных веществ практически отсутствуют, и никак не сцепленные частицы легко перемешиваются друг с другом, проникая в молекулы других газов. Небольшие коррективы при диффузии газов может вносить разве только гравитация.

Примеры в окружающем мире

поддерживается однородный состав атмосферного воздуха вблизи поверхности нашей планеты,
происходит питание растений,
осуществляется дыхание человека и животных.

Значимый биологический процесс – фотосинтез осуществляется, в том числе и при помощи диффузии: как мы знаем, благодаря энергии солнечного света вода разлагается хлорофиллами на составляющие, кислород, который выделяется при этом, попадает в атмосферу и поглощается всеми живыми организмами. Так вот, и сам процесс поглощения кислорода человеком и животными, и обмен веществ у растений, все это поддерживается диффузией, без которой не могла бы существовать сама Жизнь.

Но это в глобальном плане, в более простых вещах, мы можем наблюдать диффузию:

Читайте также: