Biofizika I. DIFFÚZIÓ OZMÓZIS

Átírás

1 1. KÍSÉRLET 1. kísérlet: cseppentsünk tintát egy üveg vízbe Biofizika I. OZMÓZIS szeptember 5. Dr. Bugyi Beáta PTE ÁOK Biofizikai Intézet 1. megfigyelés: a folt lassan szétterjed és megfesti az egész folyadékot 2. KÍSÉRLET 2. kísérlet: cseppentsünk tintát MELEG és HIDEG vízbe A MINDENNAPJAINKBAN 2. megfigyelés: a folt gyorsabban terjed szét a meleg vízben, mint a hidegben A BIOLÓGIAI JELENTİSÉGE biológia rendszerek mikroszkópikus anyagtranszport folyamatai az anyagok sejtmembránon keresztül történı áthaladása alapvetı anyagcsere-folyamatok vér és a tüdı közötti gázcsere ingerületi folyamatok gyógyszerek felszívódása kémiai reakciók a biológia rendszerekben a részecskék többsége állandó mozgásban van folyadék fázis víz (az emberi szervezet tömegének %-át víz alkotja) lipid fázis - sejtmembrán Brown-mozgás Robert Brown (skót botanikus, 1827) kísérlet: pollenszuszpenzió mikroszkópos vizsgálata megfigyelés: virágporszemcsék szabálytalan, zegzugos mozgást végeznek magyarázat:? 1

2 BROWN-MOZGÁS EGY RÉSZECSKE BROWN-MOZGÁSA 3D-BEN MAKROSZKÓPIKUS KÉP BROWN-MOZGÁS MIKROSZKÓPIKUS KÉP a részecskék egyenletlen (inhomogén) eloszlásának következtében a részecskék transzportja* valósul meg a magasabb koncentrációjú régiók felıl az alacsonyabb koncentrációjú régiók felé amíg a részecskék egyenletes eloszlást (homogén) nem mutatnak * Brown-mozgás a részecske és a közeg molekulái folyamatosan ütköznek egymással részecskék rendezetlen mozgása függ a hımérséklettıl (T): hımozgás á ~ kinetikus gázelmélet ideális gáz modell A LEÍRÁSA Az egyszerőségkedvéért vizsgálódjunk1d-ban (x tengely mentén): Mitıl függ a diffúzió erıssége? t = 0 s inhomogén eloszlás t t = homogén eloszlás x 2

3 a koncentráció (c) változása az x tengely mentén KONCENTRÁCIÓ GRADIENS (hajtóerı) a koncentráció különbség ( c) és a távolság ( x) hányadosa két pont között diffúzió révén az A felületen (áramlás irányára merıleges) t idı alatt n anyagmennyiség (mól) vándorol át az egyszerőség kedvéért: a koncentráció lineárisan változik állandó átáramlott anyag mennyisége eltelt idő ANYAGÁRAM-ERİSSÉG: I v (egység: mol/s) függ a felület (A) nagyságától anyagáramerősség felület ANYAGÁRAM-SŐRŐSÉG: J (egység: mol/m 2 s) független a felület (A) nagyságától ANYAGÁRAM-SŐRŐSÉG egységnyi idı alatt egységnyi felületen hány mólnyi anyag jut keresztül ERİSSÉGE Transzportfolyamatok általános leírása: Onsanger-féle lineáris összefüggés az extenzív mennyiség (anyagmennyiség) áramsőrősége egyenesen arányos az intenzív mennyiség (koncentráció) gradiensével FICK I. TÖRVÉNYE az anyagáram-sőrőség egyenesen arányos a koncentrációeséssel! negatív elıjel: a részecskék a magasabb koncentrációjú régió felıl az alacsonyabb koncentrációjú hely felé mozognak (diffundálnak)! D: S EGYÜTTHATÓ A S EGYÜTTHATÓ A S EGYÜTTHATÓ a diffundáló részecske mobilitását jellemzi - milyen gyorsan diffundál jele: D mértékegysége: m 2 s -1 számértéke megadja egységnyi koncentrációkülönbség esetén az egységnyi keresztmetszeten egységnyi idı alatt átáramló anyag mennyiségét függ mind a részecske, mind pedig a közeg sajátságaitól Gömbszimmetrikus (r: sugár) részecskék diffúziójára η viszkozitású közegben T hımérsékleten: 6 6 STOKES-EINSTEIN ÖSSZEFÜGGÉS hımérséklet (T) a diffúzió gyorsabb magasabb hımérsékleten: gyorsabb hımozgás a részecske geometriája /alakja (r) kicsi/globuláris részecske gyorsabban diffundál mint a nagy/fibriláris részecske a részecske moláris tömege (M) a nehezebb részecskék lassabban diffundálnak, mint a könnyebb részecskék a közeg viszkozitása (η) a diffúzió gyorsabb alacsonyabb viszkozitású közegekben, mint a magasabb viszkozitású közegekben gázok > folyadékok k: Boltzmann állandó k = joule/kelvin 3

4 A S EGYÜTTHATÓ diffundáló részecske közeg [D] = m 2 s -1 T = 20 o C MI HIÁNYZIK MÉG? H 2 (2) levegı O 2 (32) levegı O 2 (32) víz aminosav: glicin MW: 75 Da globuláris fehérje: szérum albumin MW: Da 60 x 96 x 60 Å fibriláris fehérje: tropomiozin MW: Da l = 40 Å víz víz víz x3 x10000 x100 x3 GYORSABB koncentráció különbség (hajtóerı) diffúzió (anyagáram) egyenletes eloszlás (egyensúly) megvizsgáltuk a diffúziót a koncentráció térbeli változásának (c(x)) figyelembe vételével FICK I. TÖRVÉNYE (térbeli leírás) azonban nem vettük figyelembe a koncentráció idıtıl való függését (c(x, t))! FICK II. TÖRVÉNYE (térbeli & idıbeli leírás) dohány mozaik vírus MW: Da l = 300 Å d = 150 Å víz példa: A SEJTMEMBRÁNON KERESZTÜL A TRANSZPORTFOLYAMATOK CSOPORTOSÍTÁSA EXTRACELLULÁRIS TÉR ANYAG TRANSZPORT LIPID KETTİSRÉTEG MEMBRÁNFEHÉRJÉK I. SZÁLLÍTÁSI MECHANIZMUS SZERINT KÖZVETÍTİ NÉLKÜL KÖZVETÍTİ SEGÍTSÉGÉVEL PASSZÍV FACILITÁLT ioncsatorna karrier fehérjék karrier fehérjék INTRACELLULÁRIS TÉR citoplazma víz apoláros molekulák ionok monoszaharidok aminosavak metabolitok más mechanizmus: exocitózisés endocitózis PASSZÍV TRANSZPORT AKTÍV TRANSZPORT II. ENERGIAIGÉNY SZERINT 1. PASSZÍV Közvetítı nélkül 2. FACILITÁLT Közvetítı segítségével: IONCSATORNÁN KERESZTÜL iránya: ELEKTROKÉMIAI POTENCIÁL GRADIENS irányába kémia potenciál gradiens (koncentráció) elektromos potenciál gradiens (töltés) diffúzió sebessége: Fick törvények közvetítı: nincs például: hidrofób molekulák: O 2, N 2 kis mérető, poláris molekulák: CO 2, víz, alkohol, urea, glicerin glükóz, szacharóz iránya: kémiai vagy elektrokémiai potenciál gradiens irányába diffúzió sebessége: gyorsabb, mint a Fick törvények által meghatározott közvetítı: IONCSATORNA-FEHÉRJE transzmembrán fehérjék (pórusos térszerkezet) zárt / nyitott állapot: nincs transzport / transzport nyitott/zárt állapot szabályozása: mechanoszenzitív (mechanikai hatás: nyújtás, nyomás) feszültségfüggı (a membrán két oldala közötti feszültségkülönbség ld: akciós potenciál) receptor-, vagy ligandvezérelt szelektivitás: az ionok töltése és mérete szerint 4

5 3. FACILITÁLT Közvetítı segítségével: KARRIER FEHÉRJÉK 4. FACILITÁLT Aktív transzport Közvetítı segítségével: KARRIER FEHÉRJÉK iránya kémiai vagy elektrokémiai potenciál gradiens irányába diffúzió sebessége: gyorsabb, mint a Fick törvények által meghatározott iránya: kémiai, vagy elektrokémiai potenciál gradienssel ELLENKEZİ irány! ENERGIABEFEKTETÉS közvetítı: KARRIER-FEHÉRJE (szállító, transzporter) az ionokat, molekulákat specifikusan kötik elısegítik annak a membránon való átjutását közvetítı: TRANSZPORTER uniporter szimporter/antiporter uniporter szimporter antiporter energiaigény: van ATPáz transzporter (ATP hidrolízise) foto transzporter (fény energiája) csatolt transzporter (másik transzport energiája) például: Na+-K+ pumpa ÁTTEKINTÉS a legfontosabb fogalmak Vizsgakérdés: Brown-mozgás A diffúzió jelensége Fick I. törvénye (térbeli leírás) Diffúziós együttható, Einstein-Stokes összefüggés Diffúzió a sejtmembránon keresztül: passzív, aktív és facilitált diffúzió Tudni kell róla: Fick II. törvénye (térbeli & idıbeli leírás) 5