17. 
Potencjał przepływu

 



Rozważaliśmy elektryczną warstwę podwójną utworzoną na powierzchniach granicznych jako wynik działania elektrostatycznych sił przyciągania i
fluktuacji termicznych. Nie uwzględniając fluktuacji statystycznych, powierzchnię graniczną z taką warstwą podwójną możemy traktować jako konkretną, obojętną elektrycznie strukturę układu. Sytuacja zmienia się
jednak, gdy w układzie występują zakłócenia
wywołane przez siły wewnętrzne, np.
podczas ruchu roztworu względem powierzchni granicznej lub pod działaniem
zewnętrznego pola elektrostatycznego. W tym
przypadku nośniki ładunku części dyfuzyjnej podwójnej warstwy Sterna
zostają odrywane i ładunek znajdujący się na 'Powierzchni granicznej nie jest zrównoważony. Pomiędzy powierzchnią
graniczną i wnętrzem roztworu powstaje potencjał elektryczny, zwany potencjałem
elektrokinetycznym lub potencjałem z (dzeta).
Dającym się zmierzyć efektem tego procesu są: potencjał przepływu, elektroosmoza, elektroforeza i potencjał
elektroforetyczny.

 

Potencjał przepływu pojawia się, gdy ciecz przepływa przez kapilarę, na której ściankach istnieje stały ładunek. Jeśli ścianka naładowana jest np. ujemnie, to
dodatnie jony roztworu przesuwają się w kierunku warstw cieczy znajdujących się w pobliżu ścianek. Szybkość przepływu
wody nie jest taka sama w całym przekroju
kapilary: w środku prędkość przepływu jest większa niż przy ściankach. Dlatego
jony dodatnie, znajdujące się w pobliżu
ścianek, będą płynęły wolniej niż jony ujemne, znajdujące się w środkowej
warstwie

kapilary. Z tego właśnie powodu jony ujemne będą przechodziły przez kapilarę
szybciej niż dodatnie. Jeśli pory błony
są kapilarami, to po jednej stronie błony nagromadzi się więcej jonów ujemnych niż po drugiej. W ten sposób wytworzy się duży spadek potencjału elektrycznego.
Potencjał ten działa silnie elektroforetycznie na jony i wywołuje kompensujący prąd jonów. Podobnie, jak przy potencjale dyfuzyjnym, prąd
kompensujący

działa tak, że ładunek znajdujący się po obu stronach błony
makroskopowo jest taki sam. Jednakże ze względu na opór elektryczny błony nie
można nigdy osiągnąć takiego stanu równowagi
i zawsze istnieje bardzo niewielka różnica ładunków po obu
stronach błony, której rezultatem jest
potencjał przepływu przy przewodnictwie
właściwym błony s stałej dielektrycznej D
oraz różnicy ciśnień p po obu stronach błony wynosi:

 

DYs = - (D ere0xDp)/(hs)=(Dpkhu)/(hserE)

 

Gdzie:
x- oznacza potencjał elektrokinetyczny,
h- lepkość roztworu,
e0- przenikalność
elektryczną próżni
er-
przenikalność elektryczna ośrodka.

 

 

Wzór ten jest jednak słuszny tylko wtedy, gdy promień porów jest duży w
stosunku do efektywnej grubości podwójnej
warstwy Sterna. Pory większości błon biologicznych nie spełniają tego warunku.
Przy tego rodzaju kapilarnych porach
przewodnictwo elektryczne jest funkcją odległości od ścian kapilary. Zmienia
się również wartość stałej dielektrycznej
w pobliżu ścianek pod wpływem panującego tam silnego pola elektrostatycznego (E od 105 do 106 V/cm).

 

Przy wyznaczaniu potencjału przepływu możemy ominąć niektóre z tych
trudności, jeśli nie będziemy mierzyć
bezpośrednio potencjału przepływu, lecz prąd ładunków powstały przy

przepływie rozpuszczalnika. Możemy tego dokonać za pomocą techniki
prądów zwarcia, stosowanej często przy pomiarze
aktywnego transportu jonów przez błony biologiczne.

 

Przykładem badań osobliwych cech potencjału przepływu w błonach
biologicznych o bardzo wąskich porach są
pomiary przeprowadzone na pęcherzyku żółciowym królika. Badania te rzuciły
światło na właściwości porów, przez które przepływa roztwór.
Przy badaniu cienkich błon stosowano różnice
ciśnień osmotycznych, a nie
hydrostatycznych. W przeprowadzonym
doświadczeniu błona pęcherzyka żółciowego
rozdzielała dwa roztwory o tym samym
składzie elektrolitycznym, ale o rożnej zawartości sacharozy. Gdy roztwór znajdujący się po stronie błony śluzowej (mukoza) był
hipertoniczny, to woda płynęła od strony błony surowiczej (seroza) do śluzowej.
Potencjał przepływu był wtedy dodatni po stronie
błony śluzowej. Wskazywałoby to, że przez błonę przenika więcej jonów
dodatnich niż ujemnych. Mogłoby się wydawać, że jest to sprzeczne z teorią, która mówi, że
ściany tych porów są naładowane ujemnie, a więc jony ujemne płynące środkiem kanału
powinny płynąć szybciej niż kationy
znajdujące się w pobliżu ścian. Istotnie,
ujemny ładunek ścian wpływa bezpośrednio na skład roztworu w porach. Ponieważ
jednak całość musi być elektrycznie
obojętna, więc we wnętrzu kanału w roztworze elektrolitu występuje większe
stężenie kationów niż anionów o tyle, a ile wymaga
tego konieczność skompensowania stałego ładunku ściany kapilary. Przy wyjątkowo wąskich porach, o dużej
względnej powierzchni ścianek gęstość stałego ładunku jest tak duża, że równowaga jonów w roztworze jest silnie zakłócona. W porach, których
ścianki naładowane są ujemnie, stężenie. Kationów jest o wiele większe niż anionów. Dlatego przy przepływie roztworu przez takie pory przechodzi przez nie więcej kationów niż anionów,
odpowiednio do różnicy stężeń. Jeśli
potencjał przepływu może być wywołany
ruchem wody, to i odwrotnie potencjał elektrokinetyczny może wywołać przepływ wody.

Tego rodzaju zjawisko nazywa się -elektroosmozą. Nie wiemy jeszcze czy
ma ono jakieś

znaczenie w procesach biologicznych, np. w transporcie wody. Badania
Bowlinga wykazały np., że elektroosmoza
może być siłą napędową przy transporcie pewnych substancji w roślinach
kwiatowych. Płytki siatkowe tych roślin
działają jak porowaty filtr posiadający na powierzchni pewien ładunek.

Bardzo pomocna w rożnego rodzaju badaniach jest elektroforeza. Przez
elektroforezę lub kataforezę rozumiemy
ruch naładowanych cząstek w polu elektrycznym. Badania elektroforetycznego
ruchu jednokomórkowców (bakterie,
drożdże, pierwotniaki, erytrocyty) pozwoliły określić właściwości powierzchniowe ich błon w rożnych warunkach. Załóżmy, że erytrocyty mają w przybliżeniu kształt kuli. Siła
tarcia, powstała przy ich ruchu, określona jest wtedy w przybliżeniu przez
prawo Stokesa W rozważaniach podobnych do tych, które przeprowadziliśmy przy
wyznaczaniu promienia hydratacji można zastąpić tę siłę tarcia przy
jednostajnym ruchu erytrocytów siłą
pola elektrycznego, która jest iloczynem natężenia pola i ładunku powierzchniowego.
Traktując powierzchnię erytrocytów jako
kondensator kulisty możemy oszacować potencjał elektrokinetyczny bezpośrednio z
ruchu elektroforetycznego komórek, który
możemy mierzyć bezpośrednio obserwując przy pomocy mikroskopu ruch komórek w polu elektrycznym. Fritze otrzymał dla
potencjału erytrocytów krwi ludzkiej w
roztworze o sile jonów równej 0,024 wartość - 40 mV. Przez ekstrapolację do siły
jonowej równej zero potencjał' zmienia
się do -79 mV. Siłą jonową roztworu
nazywamy wyrażenie:


n ½
S ci z2i i=1

Błona komórkowa znajdująca się w
obszarze obojętnym jest naładowana ujemnie w stosunku do otoczenia przez spolaryzowane grupy
swych cząsteczek. Potencjał elektrokinetyczny zależy w dużym stopniu od stężenia elektrolitu i wartości pH
roztworu oraz od obecności innych. cząsteczek w otoczeniu komórki. Długie cząsteczki białka, np. fibrynogenu,
mogą zmniejszać potencjał elektrokinetyczny na skutek pokrycia przez nie

powierzchni naładowanych błon.
Potencjał t; erytrocytów zapobiega ich
aglutynacji, ponieważ jednakowo naładowane cząsteczki odpychają się.

Wspomniany poprzednio potencjał elektroforetyczny pozostaje w pewnym
sensie w stosunku odwrotnym do
elektroforezy. Przy wymuszonym ruchu naładowanych elektrycznie cząstek, np. w
polu grawitacji, powstaje potencjał
między cząsteczkami zawiesiny i środkiem, w którym się one znajdują.