《協(xié)助擴(kuò)散》PPT課件

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1、二.協(xié)助擴(kuò)散（FacilitatedDiffusion）第二個(gè)重要的反應(yīng)擴(kuò)散例子是協(xié)助擴(kuò)散（facilitateddiffusion）。協(xié)助擴(kuò)散指物質(zhì)傳輸流被擴(kuò)散媒體（例如血液，細(xì)胞質(zhì)液）中的某個(gè)反應(yīng)加速。協(xié)助擴(kuò)散的一個(gè)很好的例子就是氧氣在肌肉纖維中的輸送。在肌肉纖維中，氧氣結(jié)合在肌紅蛋白（myoglobin）上變成氧合肌紅蛋白（oxymyoglobin）來(lái)進(jìn)行傳輸。如果沒有肌紅蛋白（例如一氧化碳中毒情況），氧傳輸效率大大降低。其實(shí)，這個(gè)人所共知的現(xiàn)象是違背直覺的，需要用模型進(jìn)行進(jìn)一步地解釋。因?yàn)榧〖t蛋白的

2、直徑(molecularweightM=16,890)遠(yuǎn)大于氧氣分子直徑(molecularweightM=32)，因此其擴(kuò)散常數(shù)比氧氣分子擴(kuò)散常數(shù)小很多(D=4.4×10-7andD=1.2×10-5cm2/sformyoglobinandoxygen,respectively).，從而擴(kuò)散慢很多。直觀上看，氧氣結(jié)合上肌紅蛋白后，反而慢了很多。（見作業(yè)）這個(gè)問(wèn)題的解釋是：在平衡態(tài)，全部的氧的傳輸=自由的氧的傳輸+氧合肌紅蛋白的傳輸。如果肌紅蛋白非常之多（比自由氧），和氧結(jié)合的非常好，就可以幫助氧傳輸。下面

3、是一個(gè)簡(jiǎn)單模型。假定考慮一直線上的管子，含有可擴(kuò)散的肌紅蛋白。在左邊(atx=0)氧的濃度是固定的記為s0，在右邊(atx=L)氧的濃度也是固定的記為sL，其中sL

4、態(tài)時(shí)：即：就有守恒常數(shù)：這里的J是氧(s)和氧合肌紅蛋白(c)的流的總和。對(duì)，關(guān)于x從0到L積分，可得：但這里c0和cL未知使用無(wú)量綱化方法：其中，合理的參數(shù)是：以及由此可以估計(jì)出：得到的結(jié)論是：氧和肌紅蛋白之間的反應(yīng)，即f是準(zhǔn)靜態(tài)的。即f的變形由于：氧和肌紅蛋白之間的反應(yīng)，即f是準(zhǔn)靜態(tài)的。=0e=e0-c將這個(gè)c代入到J中現(xiàn)在我們來(lái)分析化學(xué)化反應(yīng)如何協(xié)助擴(kuò)散。在無(wú)量綱變量中，如果沒有協(xié)助物，即e0=0，在無(wú)量綱變量中，即ρ=0。這時(shí)，流完全是自由擴(kuò)散，即Fick‘sLaw，其流但當(dāng)存在協(xié)助物時(shí)，流就是被一

5、個(gè)額外的項(xiàng)μρ所加強(qiáng)了。根據(jù)前面所說(shuō)的實(shí)際參數(shù)，ρ=560。在一個(gè)極端情況下，假定s全是0（全部位置都沒有氧），這時(shí)，=1，所以比自由擴(kuò)散大560倍?。?！如果氧氣的供應(yīng)在左邊(nearx=0)足夠高，氧氣就可以儲(chǔ)存為氧合肌紅蛋白。當(dāng)氧氣向右傳遞，就會(huì)逐步下降，這時(shí)氧合肌紅蛋白就會(huì)釋放氧氣。因此，盡管氧合肌紅蛋白比氧氣擴(kuò)散慢很多，但氧合肌紅蛋白結(jié)合的氧足量非常多的話，就可以傳輸大量的氧！對(duì)于考慮積分到x(前面是直接積到L)從可看出，是x的線性函數(shù)，一個(gè)線性函數(shù)f(x)可以寫成參數(shù)形式:f(x)=x[f(1)]

6、+(1-x)f(0)因此，上式可以寫成：將放在無(wú)量綱情況下考慮，即可得另外，根據(jù)可得由這兩個(gè)式子我們可以分析氧氣的傳輸情況，其中σ代表氧氣，而u代表氧合肌紅蛋白代表則是全部的氧（自由的和結(jié)合肌紅蛋白）定態(tài)解：濃度隨位置的變化問(wèn)：free肌紅蛋白的濃度高低是怎樣的？定態(tài)下，流（J）的情況。盡管J是常數(shù)，但其中包括兩項(xiàng)，thefluxoffreeoxygen和thefluxofboundoxygen，兩者相加是常數(shù)。但前者隨位置遞減，后者遞增。對(duì)于大的y，流J基本全靠boundoxygen來(lái)承擔(dān)（即theflu

7、xoffreeoxygen非常小，thefluxofboundoxygen非常大）二.1.FacilitatedDiffusioninMuscleRespiration肌肉纖維消耗很多氧氣，即使是在休息（atrest）的時(shí)候，也需用消耗氧。這是因?yàn)榧?xì)胞需要維持非零的膜電壓，這個(gè)過(guò)程需要通過(guò)呼吸鏈來(lái)消耗糖，產(chǎn)出ATP。如果糖進(jìn)行無(wú)氧代謝，產(chǎn)生的lacticacid對(duì)細(xì)胞是有毒的。對(duì)人體而言，肝的肌細(xì)胞在休息期（atrest），氧氣消耗量大約是5×10-8mol/cm3s,而肌紅蛋白的濃度為2.8×10-7mo

8、l/cm3。因此當(dāng)肌紅蛋白是飽和的時(shí)候（指全部都結(jié)合了氧），也只能供給5秒的氧消耗（如果外部氧切斷的話）。另外，外部的氧必須滲透到細(xì)胞的中心，以防止細(xì)胞的中心的氧氣含量減少到零。這個(gè)細(xì)胞的中心的氧氣含量為零的情況稱為氧負(fù)債(oxygendebt)。我們用模型來(lái)解釋肌紅蛋白如何幫助細(xì)胞供氧，以及防止氧負(fù)債。這個(gè)模型包括了氧氣和肌紅蛋白的擴(kuò)散。我們假定肌纖維是一個(gè)長(zhǎng)的圓柱形(radiusa=2.5×10-3cm)，并