Note
Studied by 17 peopleAllgemeine Zellphysiologie II - Diffusionsprozesse
區室化 (Kompartimentbildung)
熱力學第二定律：總熵不能減少。
生命需要秩序，而死亡意味著混亂。
需要熵的釋放和能量的吸收來維持秩序。
生物在其環境中製造混亂（熵），以維持其內部秩序（埃爾溫·薛定諤，1887-1961）。
細胞必須吸收能量並釋放代謝物，以保持其內部秩序。
細胞內部帶負電荷，導致負膜電位。
細胞內部的研究通常使用微電極。
使用細玻璃電極測量細胞內部和沐浴溶液之間的電壓。
細胞內外空間的離子分佈：
有多種方法可以測量細胞內部的離子濃度。
重要的是區分自由（游離）離子和結合離子。
自由離子的濃度與轉運過程和膜電位變化有關。
鈣和鎂在自由濃度和總濃度之間顯示出很大的差異。
HCO3 與 CO2 處於平衡狀態。
擴散 (Diffusion)
擴散是一個簡單的機制，可以幫助細胞吸收能量並釋放熵。
細胞膜是一個熵屏障。
通過脂質膜的擴散：
由於尾部的親脂性，帶電粒子無法穿透脂質膜。
非極性分子可以溶解在脂質膜中並擴散。
例子：丁酸、CO_2。
擴散在短距離內發生得很快。
擴散時間：
10納米：100納秒
10微米：100毫秒
1毫米：17分鐘
1米：32年
擴散（來自拉丁語 diffundere，「傾倒、分散、擴散」）是一個物理過程，導致粒子的均勻分佈，從而導致兩種或多種物質的完全混合。
擴散基於粒子的熱運動。
擴散速率取決於溫度。
脂溶性和滲透性對於物質滲透脂質膜的能力至關重要。
分配係數決定脂溶性。
尿素的膜滲透性差，Na^+ 等離子無法通過膜。
細胞需要轉運蛋白來轉運離子。
擴散受生物物理學定律支配。
A) 高度有序狀態：所有粒子都在一側。從第 1 頁到第 2 頁的定向傳輸。
B) 中間狀態：濃度的比率決定了傳輸速率的比率。
C) 熱平衡：兩側的粒子數量相等。濃度不再變化。
如果知道膜的面積、厚度、擴散常數，當然還有濃度差，則擴散定律允許計算傳輸速率。
在生物學中，通常很難確定膜的厚度；因此，人們直接從在不同濃度下測量的通量速率確定滲透率常數 P。
擴散定律由阿爾伯特·愛因斯坦制定。
擴散定律：J_{Netto} = D * A * \frac{\Delta C}{S}，其中 P = \frac{D}{S}
J_{Netto} = 淨通量（摩爾/秒）
A = 面積 (cm^2)
\Delta C = C1 - C2 濃度差 (Mol/cm^3)
S = 擴散距離 (cm)
D = 擴散常數 (cm^2/sec)
P = 滲透率常數 (cm/sec = 速度！)
化學梯度：
\Delta G = RT ln \frac{C1}{C2}
可以使用理想氣體理論計算能量。
T：絕對溫度 (K)
R：理想氣體常數 (\frac{J}{mol*K})
因此，可以像計算受壓空氣分子的能量一樣，計算出包含在細胞中的鉀離子的能量——前提是知道內外濃度。
擴散允許組織和毛細血管系統之間或肺中的氣體交換。
水的擴散：滲透 (Osmose)
生命的所有要素基礎是水的存在。
水幾乎完全通過擴散在生物體中分佈。
滲透是水的擴散。
滲透壓：\pi = (C1 - C2)RT
正如我們所知，生命的所有要素基礎是水的存在。根據目前的知識，水幾乎完全通過擴散在生物體中分佈。
兩個腔室，水中溶解的顆粒濃度不同，由半透膜分隔。
水從低粒子濃度向高粒子濃度轉運。
上升的靜水壓力阻止了完全的濃度補償。
在熱力學平衡狀態下，靜水壓力等於滲透壓；不再發生淨通量。
示例：生理鹽水的滲透壓 (0.154 mol · l-1 )
\pi = \phi * i * \Delta C * R * T
R = 通用氣體常數 (0.0821 l · atm · mol-1 · K-1)
T = 絕對溫度 (293° K)
ΔC = 0.154 mol · l-1
i = 每摩爾溶解的顆粒數（例如，對於 NaCl = 2）
ϕ = 活度係數（例如，對於 NaCl 為 0.93）
\pi = 0.93 · 2 · 0.154 \frac{mol}{l} · 8,3144 \frac{J}{mol * K} · 293 K = 697.8 kPa
286 mosmol·l-1 ≙ 698 kPa ≙ 2.44 kPa/mosmol·l-1 ≙ 約 25 cm H2O 或 18 mm Hg (Torr) 每 mosmol·l-1
示例：紅血球（紅細胞）
等滲溶液：沒有濃度梯度。
高滲溶液：C(外部) > C(內部)。外部的水比內部少。
低滲溶液：C(內部) > C(外部)。外部的水比內部多。
水通道（水通道蛋白）
水很難通過脂質膜擴散，因為水分子是極性的。
因此，紅細胞膜中必須存在「水孔」。
通道是具有孔區域的蛋白質。
選擇性針對某些物質（離子、分子…）
除了負責水通過的水通道蛋白外，還有大量其他通道，它們對各種離子和分子具有滲透性。表達具有組織特異性。
帶電粒子的擴散 (Diffusion geladener Teilchen)
鉀通道 (Kaliumkanäle)
每個細胞都有鉀離子通道。
蛋白質多次穿過膜。
通道的高電導率：每秒 106 – 108 個離子。
化學梯度 (Chemischer Gradient)
\Delta G = RT ln \frac{[K^+]{外部}}{[K^+]{內部}}
電梯度 (Elektrischer Gradient)
Eel = - Q\Delta U = - zF*\Delta U
Q = z ˖ F（1 摩爾離子的電荷）
F：法拉第常數 (\frac{C}{mol})
z：電荷數
電化學梯度 (Der elektrochemische Gradient):
化學梯度：\Delta G = RT ln \frac{[I]{外部}}{[I]{內部}}
電梯度：Eel= -zFE
熱力學平衡：最小能量 (Thermodynamisches Äquilibrium: minimale Energie)
\Delta G{總計}=RT ln \frac{[I]{外部}}{[I]{內部}}-zUmF
\Delta G_{總計} = 0
能斯特電位 (Nernstpotential)
能斯特電位推導 (Nernstpotential Herleitung):
RT ln \frac{[I]{外部}}{[I]{內部}} = zU_mF
Um= \frac{RT}{zF}ln \frac{[I]{外部}}{[I]_{內部}}
能斯特電位是鉀從細胞流出的淨電流停止時的電位。
電中性定律指出，每個陰離子都與一個陽離子結合。
平衡狀態下的鉀濃度，電荷差。
在能斯特電位下：化學梯度 = 電梯度。
能斯特電位 EK = 61.5 mV · log10 [K+]o/[K+]i
R = 通用氣體常數 (8.314 J·K-1·mol-1)
T = 溫度 [K]
z = 電荷數
F = 法拉第常數 (96487 C·mol-1)
對於體溫下的鉀 (310 K)：
EK = 61.5 mV · (-1.51) (使用 ln(a) = log10(a)/log10(e))
總之，在出現的能斯特電位阻止進一步的淨流出之前，只需要將極少量的電荷移動到極薄的細胞膜上。
可以以類似於鉀的方式計算鈉的能斯特電位，並且顯然是正的。
ENa = 61.5 mV · log10 [Na+]o/[Na+]i
ENa = 61.5 mV · log10 140/10
ENa = + 70 mV
當然，對於氯化物的能斯特電位的計算，必須反轉符號，因為它是一個帶負電荷的陰離子！
ECl = -61.5 mV · log10 [Cl-]o/[Cl-]i
ECl = - 61.5 mV
Goldman-Hodgkin-Katz 方程考慮了膜對各種離子的滲透性。
電位取決於：
離子在內部和外部空間中的濃度
膜對相應離子的通透性或滲透率 p。
離子的滲透率越高，總電位越接近該離子的能斯特電位。
(p(Na)·[Na]0+p(K)·[K]0+p(Cl)·[Cl]i) / (p(Na)·[Na]i+p(K)·[K]i+p(Cl)·[Cl]0)
E=RT/F ·ln ------------------------------------------------
對於細胞來說，這與生命不相容。
診所 (Klinik)
病例貓 - 初步報告 - 貓被發現夾在（後肢）柵欄中
- 持續時間未知
- 動物精神不振，但有反應
- 溫度 32.5 °C
- 脈搏 200 次/分鐘。
- 雙側股動脈脈搏缺失
- 有休克風險<!-- -->治療 - 輸液
熱供應
突然崩潰
心動過緩 20 – 30
呼吸停止
EKG：室性逃逸心律 20 – 40 次/分鐘；無脈搏
血液分析：由於肌肉損傷（肌紅蛋白尿），K = 9 mmol·l-1
降低血鉀：靜脈注射胰島素 + 葡萄糖
物理治療
一周後，動物在臨床上沒有異常
高鉀血症：心臟功能障礙