Ядерный магнитный резонанс (ЯМР)

Магнитный момент ядра, помещенного в постоянное магнитное поле, может принимать только дискретную ориентацию. Это значит, что энергетический уровень ядра, также как энергетический уровень атома, в постоянном магнитном поле расщепляется на подуровни.

Если в этих условиях на ядро воздействовать переменным электромагнитным полем, то между подуровнями станут возможными переходы. Чтобы осуществить эти переходы, а также поглощение энергии электромагнитного поля ядром, необходимо, чтобы частота электромагнитного поля, совпадала с частотой перехода между подуровнями, т.е.

.

Эти условия выполняются только для свободных ядер. Экспериментальные значения резонансных частот не совпадают с частотами, определяемые этой формулой. Это обусловлено химическим сдвигом, который возникает из-за того, что в атомах и молекулах под действием постоянного магнитного поля возникают электронные токи, создавая локальное магнитное поле. Поэтому постоянное магнитное поле следует характеризовать эффективным значением напряженности

,

где постоянная экранирования, зависящая от электронного окружения ядер. Это означает, что для данного типа ядра резонанс наблюдается при разных частотах, что и определяет химический сдвиг. Он зависит от электронного строения молекул, от химической связи, концентрации данного вещества, температуры, типа растворителя и т.д.

По химическому сдвигу, числу линий в спектре, по положению линий можно установить структуру молекулы.

В настоящее время разработан метод ЯМР - интроскопии, в котором без разрушения послойно исследовать кости, сосуды, нормальные ткани и ткани со злокачественной патологией, что является эффективным методом диагностики заболеваний, которые связаны с изменением состояния органа и ткани.

Диффузия в жидкостях. Закон Фика.

Важным элементом функционирования мембран является их способность пропускать или не пропускать атомы (молекулы) и ионы, т.е. проницаемость мембран.

Диффузия – самопроизвольный процесс проникновения вещества из области большей концентрации в область меньшей концентрации в результате теплового хаотичного движения.

Количественными характеристиками диффузии являются поток вещества и плотность потока вещества.

Поток вещества - масса вещества, переносимого через площадь , перпендикулярную движению частиц, в единицу времени.

Плотность потока вещества - масса вещества, переносимого через единицу площади , перпендикулярной движению частиц, за единицу времени.

Диффузия в жидкости описывается уравнением Фика:

- плотность потока вещества

, если ,

- коэффициент диффузии, - градиент концентрации характеризует изменение концентрации на единицу длины .

Пассивный транспорт веществ.

Пассивный транспорт всегда осуществляется за счет энергии, сконцентрированной в каком-либо градиенте. Энергия метаболических процессов клеток (энергия гидролиза АТФ) на этот процесс непосредственно не переносится.

Имеются следующие виды пассивного транспорта веществ в клетках и тканях: диффузия, осмос, электроосмос, аномальный осмос, фильтрация.

Основным механизмом пассивного транспорта является диффузия - самопроизвольный процесс проникновения вещества из области большей концентрации в область меньшей концентрации в результате теплового хаотического движения.

Перенос незаряженных частиц (атомов и молекул) через мембрану

Механизмом переноса молекул и атомов через мембрану является диффузия, а сам транспорт описывается уравнением Фика:

Концентрационный градиент клеточной мембраны определить трудно, поэтому лучше использовать более простое уравнение, предложенное Коллендором и Берлундом

где - проницаемость мембраны, - концентрация вещества в клетке, - концентрация вещества в окружающей среде

Перенос заряженных частиц (ионов) через мембрану.

Проникновение заряженных частиц через мембрану зависит не только от концентрационного градиента, но и от градиента электрического потенциала. Плотность потока вещества при этом следует рассчитывать как сумму двух слагаемых:

Здесь - плотность потока вещества, обусловленная градиентом концентраций, - плотность потока вещества, обусловленная градиентом электрического потенциала мембраны.

где - подвижность ионов, - концентрация ионов, - заряд ионов, - постоянная Фарадея, - градиент потенциала.

Общая плотность потока вещества равна

Это уравнение называется уравнением Нернста-Планка.

Совокупность концентрационного и электрического градиентов называется градиентом электрохимического потенциала.

Виды диффузии.

1. Простая диффузия – диффузия, при которой молекулы диффундирующего вещества движутся без образования комплекса с другими молекулами.

2. Диффузия через каналы. Каналы образованы белковыми молекулами и обладают избирательой проницаемостью. Наличие каналов увеличивает проницаемость мембран.

3. Облегченная диффузия.

Вещество самостоятельно слабо диффундирует через мембрану (рис. 7.6.). Но скорость диффузии значительно возрастает, когда молекула этого вещества образует комплекс с некоторым вспомогательным веществом Х, растворенным в липиде. Переносчики Х могут быть фиксированными и образовывать пору.

4.Обменная диффузия.

При обменной диффузии вспомогательное вещество образует комплекс с молекулой проникающего вещества , комплекс диффундирует через мембрану (рис. 7.5). На другой стороне мембраны молекула , освободившись, уходит в клетку,

а ионофор берёт из клетки другую молекулу и переносит её в окружающую среду. В результате концентрация вещества по обе стороны мембраны не меняется.

5. Осмос – движение молекул воды (растворителя) через полупроницаемую мембрану из области большей концентрации растворённого вещества в область меньшей концентрации растворенного вещества. Плотность потока вещества определяется как

Здесь - коэффициент проницаемости; и - осмотическое давление по одну и другую сторону мембраны, соответственно.

6. Фильтрация – движение молекул воды (растворителя) через полупроницаемую мембрану из области большей концентрации растворённого вещества в область меньшей концентрации растворенного вещества при наличии гидростатического давления.

Активный транспорт.

Активный транспорт обеспечивает перенос молекул и ионов из области меньших концентраций и электрических потенциалов в область больших концентраций и электрических потенциалов.

Для осуществления такого транспорта клетка совершает работу против градиентов концентраций и потенциалов.

Если через клетку переносится незаряженная частица (атом или молекула), то эта работа равна

,

где - количество молей вещества, перенесенного через мембрану из области меньших концентраций в область больших концентраций ; - универсальная газовая постоянная, - абсолютная температура.

Если переносится ион через электрически заряженную мембрану, то эта работа равна , где - валентность ионов, - число Фарадея (заряд 1 моля ионов), разность потенциалов между поверхностями мембраны. Знак зависит от знака заряда ионов.

Чтобы совершить эту работу, клетке нужна энергия. Эту энергию клетка получает при гидролизе фермента . Особое внимание следует обратить на активный транспорт ионов и , калий – натриевый насос, т.к. именно эти ионы играют большую роль при генерации биоэлектрических потенциалов и проведении возбуждения. Он начинается на внутренней поверхности мембраны и происходит в три стадии.

1. Киназная. Переносчик на внутренней стороне мембраны захватывает из цитоплазмы ион . Комплекс переносится на наружную поверхность мембраны за счет энергии гидролиза . Здесь неорганический фосфат, адезиндифосфатоза. Выделившейся энергии хватает для завершения всех трех фаз.

2. Ионообменная. На наружной поверхности мембраны ионы обмениваются на ионы . Комплекс снова движется к внутренней стороне мембраны, где вторая фаза заканчивается.

3. Фосфатозная. Эта фаза заканчивает цикл на внутренней поверхности мембраны дефосфолированием переносчика и освобождением ионов

Контрольные вопросы

• Структура мембраны. Модели мембран. •Основные биофизические свойства мембран. Методы исследования мембран. •Диффузия в жидкостях. Закон Фика. •Перенос незаряженных частиц (атомов и молекул) через мембрану. •Уравнение Коллендера-Берлунда. • Уравнение Нернста-Планка. •Виды пассивного транспорта (простая диффузия, диффузия через каналы, облегченная, обменная, осмос, фильтрация). •Активный транспорт веществ. Натрий-калиевый насос.