что такое диффузия в биологии 8
ДИФФУЗИЯ
ДИФФУЗИЯ (лат. diffusio распространение, растекание) — процесс самопроизвольного взаимного проникновения соприкасающихся веществ друг в друга за счет теплового движения частиц вещества. Диффузия происходит в направлении падения концентрации вещества и ведет к равномерному распределению веществ по всему занимаемому ими объему. В биологических объектах Диффузия является основным процессом, обеспечивающим направленный поток вещества во время жизнедеятельности организма (поступление газов, воды, минеральных солей и т. д.). У человека в основном за счет Диффузии происходит газообмен в легких и тканях (см. Газообмен), водно-солевой обмен (см.), всасывание продуктов пищеварения в кишечнике (см. Всасывание), генерирование потенциала действия в нервных и мышечных клетках (см. Биоэлектрические потенциалы) и другие процессы жизнедеятельности. Диффузия играет важную роль в химической кинетике и технологических процессах (адсорбции, цементации, диффузионной сварке, диффузионной металлизации и др.).
Диффузия происходит в газах, жидкостях и твердых телах; диффундировать могут как находящиеся в них посторонние частицы (гетеродиффузия), так и собственные частицы (самодиффузия). Скорость Д. зависит от многих факторов: плотности и вязкости среды, температуры, природы диффундирующих частиц, воздействия разного рода внешних сил и т. д. Наиболее быстро Д. происходит в газах, медленнее в жидкостях и еще медленнее в твердых телах, что определяется характером теплового движения частиц в этих средах.
Dt и является коэффициентом Д. Соотношение было выведено Эйнштейном (A. Einstein) и справедливо для Д. в любых средах. Коэффициент Д. обратно пропорционален давлению газа и увеличивается с возрастанием температуры. С увеличением молекулярной массы диффундирующего вещества Д. уменьшается.
Диффузия в газах. Каждая частица газа движется по ломаной траектории, т. к. при столкновении частицы меняют направление и скорость движения. В силу этого скорость поступательного движения гораздо меньше скорости свободного движения молекул (так, скорость распространения запахов намного меньше скорости движения молекул пахучих веществ).
Диффузия в жидкостях рассматривается как движение с трением; для анализа применяют второе соотношение Эйнштейна: D
Диффузия в твердых телах осуществляется за счет обмена местами атомов с незанятыми узлами кристаллической решетки (вакансиями), прямого обмена двух соседних атомов, одновременного циклического перемещения нескольких атомов, движения атомов и ионов через междоузлия кристаллической решетки и т. д. Коэффициент Д. в твердых телах в большой степени зависит от дефектов кристаллической структуры, возникающих при нагреве, деформациях, напряжениях и других воздействиях. Так, коэффициент Д. цинка в медь при повышении температуры с 20 до 300° возрастает в 1014 раз.
В полимерах Д. происходит за счет теплового движения молекул полимера или их отдельных участков. На этом свойстве основано явление адгезии (слипание) полимеров. Диффундировать в полимерных материалах могут и частицы посторонних веществ. Так, газопроницаемость полимерных пленок является результатом последовательно протекающих процессов: растворение газа в пограничном слое пленки, Д. растворенного вещества через полимер и выделение молекул газа с другой стороны пленки. Газопроницаемость полимерных материалов зависит от гибкости цепных макромолекул, от физ. состояния полимера, от природы диффундирующих частиц. При кристаллизации, поперечном «сшивании» молекул (вулканизации) с ростом межмолекулярных сил и плотности упаковки газопроницаемость уменьшается.
Д. низкомолекулярных веществ через полимерную пленку осуществляется аналогично. Коллоидные вещества слабо диффундируют, а коллоидные р-ры почти не обнаруживают способности к Д. В то же время Д. низкомолекулярных веществ в коллоидных р-рах низкой концентрации почти не отличается от Д. в чистом растворителе. С увеличением концентрации коллоидного р-ра скорость Д. в нем низкомолекулярных веществ снижается. Д. в гелях зависит от концентрации и природы структурообразующего вещества и от природы и строения частичек диффундирующего вещества.
Единица коэффициента Д. в Международной системе единиц (СИ) — м 2 /сек, единица потока Д. — 1/м 2 •сек или кг/м 2 •сек.
Диффузионный поток. На практике существенное значение имеет не Д. отдельных частиц, а поток вещества, движущийся в сторону меньшей концентрации (диффузионный поток). Диффузионный поток (J) выражается через разность частиц, пересекающих единицу площади в прямом и обратном направлении за единицу времени (закон Фика): j = dm = —DS((C1-C2)/(X1-X2))dt = — DS(dC/dx)dt, где dm — количество частиц вещества, диффундирующих за время dt при градиенте концентрации dC/dx, D — коэффициент диффузии; знак минус указывает, что перемещение происходит в направлении убыли концентрации частиц. Для биол, систем коэффициент Д. заменяют коэффициентом проницаемости P
Диффузия в биологических системах
Д. играет важную роль в биологич. системах, обеспечивая поступление газов, воды, минеральных веществ в ткани растений и животных. За счет Д. происходят процессы газообмена в легких и тканях, обмена воды и солей в почках, всасывание продуктов пищеварения из кишечника, генерирование потенциала действия в нервных и мышечных клетках, перенос молекул медиатора в синапсах, перемещение веществ внутри клетки и т. д. Расчет диффузионных потоков растворенных веществ через мембраны клеток проводят по уравнению Фика, в к-ром коэффициент Д. заменен на коэффициент проницаемости; по уравнению Фика расчитывают Д. газов и воды, заменяя при этом разность концентраций значениями разности давления газов или осмотического давления по обе стороны мембраны клетки. В большинстве случаев скорость Д. через мембраны меньше скорости свободной Д., что свойственно большинству молекул, имеющих средний размер или заряд, взаимодействующий с заряженной мембраной (большинство анионов)— ограниченная Д. В том случае, когда молекулы и ионы самостоятельно не могут проникать или слабо проникают через биол, мембраны, а при взаимодействии с нек-рыми веществами («переносчиками») их проницаемость увеличивается, говорят об облегченной Д. Такая Д. характерна для ряда сахаров, аминокислот и других органических соединений.
Конечная концентрация молекул или ионов в клетке и окружающей среде мало зависит от скорости их Д. через мембраны. Распределение ионов и молекул между клеткой и средой зависит от их хим. сродства к веществам цитоплазмы, сорбционных процессов, физ. растворения и других процессов, протекающих неодинаково в цитоплазме и окружающей клетку жидкости (см. Клетка). Кроме того, перераспределение ионов зависит от процессов, направленных против концентрационного (электрохимического) градиента и происходящих с затратой энергии — так наз. активный транспорт (см. Транспорт ионов). Поступление биополимеров (белков, нуклеиновых к-т) может происходить за счет механизмов пиноцитоза (см.) и фагоцитоза (см.).
Гиршфельдер Д., Кертисс Ч. и Берд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей, пер. с англ., М., 1961; Пост X. Физиология клетки, пер. с англ., М., 1975; Никольский H. Н. и Трошин А. С. Транспорт сахаров через клеточные мембраны, Л., 1973, библиогр.; Франк-Каменецкий Д. А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике, М., 1967; Ходоров Б. И. Проблема возбудимости, JI., 1969, библиогр.; Шьюмон П. Диффузия в твердых телах, пер. с англ., М., 1966.
Что такое диффузия в биологии 8
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.
Эти каналы несколько меньше, чем натриевые каналы, их диаметр составляет лишь около 0,3 нм, однако они не заряжены отрицательно и имеют иные химические связи. Следовательно, нет выраженной силы, тянущей ионы внутрь канала, и ионы калия не освобождаются от их водной оболочки. По размеру гидратированная форма иона калия значительно меньше гидратированной формы иона натрия, поскольку ион натрия притягивает гораздо больше молекул воды, чем ион калия. Следовательно, более мелкие гидратированные ионы калия легко могут проходить через этот узкий канал, в то время как более крупный гидратированный ион натрия «выбраковывается», что и обеспечивает избирательную проницаемость для специфического иона.
Транспорт ионов натрия и калия через белковые каналы. Показаны также конформационные изменения в белковых молекулах, открывающие или закрывающие ворота каналов.
Урок по общей биологии
Тема занятия: Диффузия – основа жизни
Тип учебного занятия: интегрированный урок (по классификации Т.И.Шамовой)
Задачи учебного занятия:
1. Образовательный аспект – формирование знаний о строении, свойствах и функциях внутреннего слоя клеточной оболочки – плазматической мембраны (а на ее примере и других мембран клетки), развитие понятия о соответствии строения выполняемым функциям.
2. Развивающий аспект – активизировать мышление обучающихся, умение сравнивать, анализировать, умение самостоятельно формулировать выводы, способствовать развитию логического мышления, познавательной активности обучающихся.
3. Воспитательный аспект – повышение мотивации изучения биологии, повышение интереса к предметам естественнонаучного цикла, используя разнообразные приёмы деятельности, показать, что познание свойств живого организма возможно только при интеграции знаний, полученных различными науками.
1. Организационный момент
Подготовка студентов к работе на уроке: приветствие, положительный психологический настрой на работу, организация внимания у всех студентов.
2. Мотивация студентов
Эпиграфом к нашему занятию я выбрала слова венгерского радиохимика Д. Хевеши: (1-ый слайд презентации)
«Мыслящий ум не чувствует себя счастливым, пока ему не удается связать воедино разрозненные факты, им наблюдаемые»
Вопрос: Как Вы понимаете эти слова?
Организация работы студентов над новой темой
2. Приём «Корзина идей»
Предлагает обучающимся почистить мандарин.
Вопрос: «Что изменилось в аудитории?»
Вопрос: «А почему это произошло?»
Ответы обучающихся преподаватель складывает (образно) в «корзину идей»
Вопрос: «А как Вы думаете, какое явление лежит в основе этих процессов?»
Основное условие – не повторять то, что уже было сказано другими.
Преподаватель: Почему это происходит, что является доказательством непрерывного движения молекул в живой и неживой природе? Какие процессы лежат в основе этих движений? Об этом мы сегодня с Вами поговорим.
Преподаватель: Предлагает студентам сформулировать тему урока.
Корректирует тему занятия: « Диффузия – основа жизни ».
Помогает обучающимся с формулировкой цели занятия. Цель нашего занятия: доказать, что диффузия – это основа жизни.
Преподаватель: задачи занятия: расширить знания о строении, свойствах и функциях цитоплазматической мембраны, показать взаимосвязь таких дисциплин, как «Физика» и «Биология» на данном уроке, и доказать, что диффузия – это основа жизни.
3. Актуализация знаний.
Преподаватель: Материал темы сегодняшнего занятия базируется на знаниях, полученных Вами ранее при изучении биологии. Некоторые моменты мы сейчас с Вами вспомним.
Кроссворд «Основные клеточные структуры»
Преподаватель: Последнее слово в кроссворде «оболочка».
Вопрос: «А какая клеточная структура расположена под оболочкой?»
4. И зучение нового материала
1. Задаёт вопрос: « Вспомните, какие вещества входят в состав плазматической мембраны?»
2. Рассказ о строении плазматической мембраны (схема строения мембраны показана на слайде)
Студенты: Белки и липиды. Они расположены в два слоя.
полуинтегральные белки – погружены в бислой на различную глубину, поддерживают структуру мембраны,
трансмембранные белки – пронизывают мембрану насквозь, контактируя при этом с наружной и внутренней средой клетки, катализируют реакции обмена веществ обеспечивают транспорт катионов и анионов, образуют поры.
Но прежде, чем перейти к свойствам мембран, вспомним, что Вы знаете из курса физики.
Вопрос: «Чем объясняется, с точки зрения физики, одно из свойств жидкости – текучесть?»
Вопрос: «В каком случае наблюдается это явление?»
Ответы: Оно объясняется взаимным притяжением молекул жидкости. Это явление наблюдается в том случае, если расстояние между молекулами жидкости сравнимо с размером молекулы.
Предлагает обучающимся заполнить схему по ходу объяснения материала
Преподавтель: Свойства мембраны мы будем объяснять на опытах с мыльным пузырём.
Проблемный вопрос: « Почему мы взяли мыльный пузырь?»
Демонстрация схемы строения мыльного пузыря.
Преподавтель: Ответ: А дело в том, что молекулы мыла и фосфолипидов, входящих в состав мембран, имеют аналогичное строение.
Опыт: Студент демонстрирует перетекание жидкости в стенке мыльного пузыря, висящего на пластмассовой трубочке
Первое свойство мембран – это подвижность.
Липидный бислой по существу – жидкое образование, в пределах плоскости которого молекулы могут свободно передвигаться – “течь” без потери контактов в силу взаимного притяжения. Гидрофобные хвосты могут свободно скользить друг относительно друга.
Опыт: Студент демонстрирует, как при протыкании мыльного пузыря и последующего извлечения иглы целостность его стенки сразу же восстанавливается .
Благодаря этой способности клетки могут сливаться путем слияния их плазматических мембран (например, при развитии мышечной ткани). Этот же эффект наблюдается при разрезании клетки на две части микроножом, после чего каждая часть оказывается окруженной замкнутой плазматической мембраной.
Вопрос: «В каком случае, с точки зрения физики, наблюдается взаимное притяжение между молекулами?»
Ответ: взаимное притяжение наблюдается в том случае, если расстояние между молекулами сравнимо с размером молекулы, если же расстояние становится много больше, то взаимное притяжение не проявляется.
Видеофрагмент «Облегчённая диффузия»
Преподавтель: Назовите свойства мембраны:
Студенты отвечают: 1. Подвижность. 2. Самозамыкание. 3. Избирательная проницаемость. (6-ой слайд презентации)
Преподавтель: Теперь немного отдохнём.
Демонстрация опыта “Наблюдение плазмолиза и деплазмолиза растительной клетки” (видеофрагмент)
Что такое плазмолиз?
Какое явление называют деплазмолизом?
Делает выводы вместе с обучающимися.
Мы убедились в том, что плазматическая мембрана обладает избирательной проницаемостью
Преподавтель: Опарин Александр Иванович сказал, что после того как появились мембраны…из супа, варившегося в морях могли сформироваться первые живые организмы. На основании чего ученый пришел к такому утверждению?
Студенты: Мембрана отграничивает клеточное содержимое от внешней среды.
Преподавтель: Давайте с Вами вспомним, какие основные функции мембрана клетки?
Видеофрагмент «Функции мембраны»
Преподавтель: На транспортной функции мембраны остановимся более подробно.
Преподавтель: Задание 1. Представьте, что вы подошли к стене, к забору, к преграде, которую вам необходимо преодолеть. Каким способом вы будете пытаться попасть внутрь?
Студенты делятся на две группы, каждой группе выдается лист бумаги, который поделен вертикальной чертой на две колонки. Группе дается 2 минуты на размышление. Студенты должны предложить как можно больше способов проникновения и записать их в левый столбик листка.
Афиширование групповых работ, в результате которого список каждой группы дополняется наиболее удачными предложениями.
Задание 2. Представьте, что преодолеть преграду необходимо не человеку, подошедшему к забору или стене, а веществу, находящемуся рядом с живой клеткой. Ему необходимо попасть внутрь клетки. Попытайтесь найти аналогии к каждому из способов, предложенных вами для преодоления препятствий. Запишите их в правой части листа бумаги.
Социализация в группах. Студенты зачитывают вслух способы проникновения в клетку и фиксируют наиболее удачные аналогии других групп.
Преподавтель: (подводит итоги работы групп и объясняет виды транспорта через мембрану).
Видеофрагмент «Диффузия в мембране»
Осмос – это движения растворителя из области высокой концентрации в область более низкой концентрации.
Преподаватель: Мы говорим в опытах о диффузии. Я вас опять возвращаю в неживую природу и прошу вспомнить, а что же такое диффузия с точки зрения физики?
Преподаватель: Каковы особенности протекания диффузии в живой и неживой природе? От чего зависит скорость протекания диффузии?
Обсуждение студентов, выдвижение гипотез
Преподаватель: Итак, Вы считаете, что скорость протекания диффузии зависит от температуры и от агрегатного состояния вещества? Почему?
Предполагаемые ответы студентов
Преподаватель: А теперь на опыте проверим Вашу гипотезу.
Оборудование: 2 стакана с водой разной температуры, стёкла, пипетка, кофе
В два одинаковых стеклянных сосуда налейте одинаковое количество воды, но различной температуры.
Капните на стёкла по 2-3 капли горячей и холодной воды (на разные стёкла)
С вверху поместите несколько крупинок растворимого кофе.
Пронаблюдаете, что происходит. (1 – 2 мин)
Измерьте время, через которое окрасится вся вода в стакане.
Имеет ли место явление диффузии в этом опыте? Почему?
Результаты оформить в таблицу.
Что вы можете сказать о скорости протекания диффузии в первом и втором сосудах?
Сейчас в обоих сосудах в диффузии участвуют одни и те же вещества, находящиеся в одних и тех же агрегатных состояниях. Значит, скорость протекания диффузии должна быть одинакова? Но результат опыта свидетельствует об обратном. Почему?
Скорость диффузии увеличивается с ростом температуры, так как молекулы взаимодействующих тел начинают двигаться быстрее. Это утверждение справедливо для веществ находящихся в любом агрегатном состоянии.
Вывод: Диффузия наблюдается в жидкостях и ускоряется с повышением температуры.
5. Первичная проверка понимания изученного материала.
Вопрос: «Какое физическое явление лежит в основе механизма транспорта веществ в клетку через цитоплазматическую мембрану?»
Предлагает обучающимся выполнить тестовое задание (используя мультимедийную презентацию) на закрепление изученного материала.
1. Выберите основные функции плазматической мембраны
а) транспортная, барьерная, рецепторная
б) транспортная, энергетическая, барьерная
в) транспортная, энергетическая, каталитическая
2. К акие вещества входят в состав плазматической мембраны?
а) углеводы и белки
в) белки и нуклеиновые кислоты
3. Какой процесс изображён на данном рисунке? 
4. Какой процесс изображен на данном рисунке?
5. Обратимся к бобам фасоли, которые лежат у вас на столах. Одну фасоль мы заранее замочили в горячей воде, другая оставалась сухой. Думаю, что разница в размерах фасоли видна. Какой процесс Вы здесь наблюдаете?
Взаимопроверка тестового задания
Преподаватель: Обратимся к эпиграфу нашего занятия
«Мыслящий ум не чувствует себя счастливым, пока ему не удается связать воедино разрозненные факты, им наблюдаемые»
Вопрос: Как Вы думаете, правильно ли я подобрала эпиграф к нашему занятию? Объясните, почему?
Студенты рассуждают и отвечают на поставленный вопрос.
Преподаватель: Так почему же диффузия – это основа жизни?
Студенты: Диффузия имеет огромное значение в процессах жизнедеятельности живых объектов. Диффузия играет важную роль в питании растений, переносе питательных веществ, кислорода в организме человека и животных.
Преподаватель: «Как вы думаете, где (в жизни, в профессии) вам пригодятся знания о диффузии?»
Преподаватель: Какое явление связывает дисциплины «Физика» и «Биология» при изучении свойств и функций плазматической мембраны?
8. Домашнее задание
Сообщает обучающимся домашнее задание, объясняет выполнение.
1. Разгадать филворд «Буквенная неразбериха».
Проникновение молекул одного вещества в межмолекулярные промежутки другого
Агрегатное состояние вещества, в котором диффузия проходит с наибольшей скоростью
Протекание диффузии в одном направлении через полупроницаемые мембраны
Результат выбросов в атмосферу и реки вредных отходов производства
Беспорядочное ……. молекул приводит к диффузии веществ.
Физическая величина, ускоряющая процесс диффузии
Введение лекарственных препаратов через кожу, с помощью электрического тока.