Biofizika 1 - Diffúzió, ozmózis 10/31/2018

Átírás

1 TRANSZPORTFOLYAMATOK ÉLİ RENDSZEREKBEN DIFFÚZIÓ ÉS OZMÓZIS A MINDENNAPI ÉLETBEN Diffúzió, ozmózis Folyadékáramlás A keringési rendszer biofizikája Transzportfolyamatok biológiai membránon keresztül, membránpotenciál BIOFIZIKA I. Dr. Bugyi Beáta -PTE ÁOK -Biofizikai Intézet DIFFÚZIÓ ÉS OZMÓZIS AZ ORVOSI GYAKORLATBAN DIFFÚZIÓ ÉS OZMÓZIS AZ ORVOSI GYAKORLATBAN TÜDŐ - KAPILLÁRISOK OXIGÉN A TÜDŐBŐL A VÉRÁRAMBA SZÉN DIOXID A VÉRÁRAMBÓL A TÜDŐBE GYÓGYSZEREK FELSZÍVÓDÁSA HEMODIALÍZIS VÉNÁK ARTÉRIÁK SZÖVET/SEJT - KAPILLÁRISOK TÁPANYAGOK ÉS OXIGÉN A VÉRÁRAMBÓL A SEJTEKBE SZÉN DIOXID ÉS ANYAGCSERETERMÉKEK A SEJTEKBŐL A VÉRÁRAMBA A DIFFÚZIÓ MAKROSZKÓPIKUS MEGFIGYELÉSE kísérlet: cseppentsünk tintát MELEG és HIDEG vízbe MIÉRT TERJEDNEK SZÉT A RÉSZECSKÉK A VÍZBEN? MIÉRT GYORSABB A FOLYAMAT MAGASABB HİMÉRSÉKLETEN? megfigyelés: a tintarészecskék szétterjednek a vízben: inhomogénhomogén a folt gyorsabban terjed szét a meleg vízben, mint a hidegben 1

2 DIFFÚZIÓ MIKROSZKÓPIKUS MOLEKULÁRIS SZINTEN a biológiai rendszerekben lévı legtöbb részecske állandó mozgásban van folyadék fázis víz (az emberi szervezet tömegének %-át víz alkotja) lipid fázis - sejtmembrán DIFFÚZIÓ, MINT A RÉSZECSKÉK RENDEZETLEN HİMOZGÁSA MAKROSZKÓPIKUS KÉP MIKROSZKÓPIKUS KÉP Brown mozgás Robert Brown (skót botanikus, 1827) virágporszemcsék szabálytalan, zegzugos mozgást végeznek = = ~ hőéé (hımozgás) A részecske és a közeg molekulái folyamatosan ütköznek egymással. A hımérséklet emelése gyorsabb mozgást, és így az ütközések gyakoriságának növekedését eredményezi. OKA: a részecskék egyenletlen (inhomogén) eloszlásának következtében MI TÖRTÉNIK: a részecskék irányított transzportja* valósul meg a magasabb koncentrációjú régiók felıl az alacsonyabb koncentrációjú régiók felé a részecskék hımozgása révén EREDMÉNY: amíg a részecskék egyenletes eloszlást (homogén) nem mutatnak * Brown mozgás DIFFÚZIÓ DIFFÚZIÓ MITİL FÜGG A DIFFÚZIÓ SEBESSÉGE? A DIFFÚZIÓ KVANTITATÍV LEÍRÁSA A DIFFÚZIÓ KVANTITATÍV LEÍRÁSA FICK 1. TÖRVÉNYE t = 0 s t t =,, x RÉSZECSKÉK MOZGÁSA részecskék mennyisége = felület idő = = DIFFÚZIÓ SEBESSÉGE ANYAGÁRAM SŐRŐSÉG: J (mol/m 2 s) FICK 1. TÖRVÉNYE térbeli leírás Az anyagáram sőrőség (= ) egyenesen arányos a koncentráció gradienssel = Koncentráció különbség/gradiens diffúzió sebessége A részecskék és a közeg tulajdonságaid: diffúziós állandó () KONCENTRÁCIÓ GRÁDIENS koncentráció különbség = = távolság =állandó! negatív elıjel: a részecskék a magasabb koncentrációjú régió felıl az alacsonyabb koncentrációjú hely felé mozognak (diffundálnak) 2

3 DIFFÚZIÓS EGYÜTTHATÓ - STOKES-EINSTEIN EGYENLET Gömbszimmetrikus (r: sugár) részecskék diffúziójáraηviszkozitású közegben T hımérsékleten: = 6 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 MILYEN MESSZE JUT EGY RÉSZECSKE A DIFFÚZIÓ SORÁN? távolság (m) 4.0x x x x10-3 MEREDEKSÉG ~ SEBESSÉG ~ idő (s) áá ~ ő GYORS (< másodpercek) kis távolságokon (100 mm) NAGYON lassú (> napok) nagy távolságokon (1 cm) példa: A VÉR ÉS A TÜDİ KÖZÖTTI GÁZCSERE példa: A VÉR ÉS A TÜDİ KÖZÖTTI GÁZCSERE akadály molekula távolság [R] Diffúziós együttható [D], m 2 s -1 Szükséges idı [t], s O 2 1 mm = 10-6 m s = 500 ms << 0.5 s CO 2 1 mm = 10-6 m s = 80 ms << 0.5 s TÜDİHÓLYAGOCSKA O 2 sejtekhez CO 2 eltávolítása VÉRKERINGÉS diffúziós gázcsere Egyszerősített vázlat: vörösvértest átlagos tartózkodási ideje t 0.5 s R 1 mm O 2 1 cm = 10-2 m s = 57.8 nap = 5 millió másodperc A gázcsere hatékonyságának kulcsa: kis diffúziós távolság (mm) nagy diffúziós sebesség (ms) ~ 2 ~ 2D A TRANSZPORTFOLYAMATOK A SEJTMEMBRÁNON KERESZTÜL I. SZÁLLÍTÁSI MECHANIZMUS SZERINT KÖZVETÍTİ NÉLKÜL KÖZVETÍTİ SEGÍTSÉGÉVEL AZ OZMÓZIS MAKROSZKÓPIKUS MEGFIGYELÉSE kísérlet: tegyünk egy száraz salátalevelet vízbe elıtte PASSZÍV DIFFÚZIÓ FACILITÁLT DIFFÚZIÓ ioncsatorna karrier fehérjék karrier fehérjék utána (3-4 óra) PASSZÍV TRANSZPORT II. ENERGIAIGÉNY SZERINT AKTÍV TRANSZPORT Megfigyelés: a salátalevél nagyobb és újra friss lesz 3

4 AZ OZMÓZIS ÉS A DIFFÚZIÓ KAPCSOLATA Mi a különbség/hasonlóság a tinta és a saláta kísérlet között? AZ OZMÓZIS ÉS A DIFFÚZIÓ KAPCSOLATA Mi a különbség/hasonlóság a tinta és a saláta kísérlet között? Mind a víz molekulák, mind pedig a tinta részecskék szabadon mozognak a térben. A víz molekulák szabadon mozognak be/ki a növényi sejtekbe/bıl, a többi részecske mozgása korlátozott a növényi sejt membránja által. OZMÓZIS MIKROSZKÓPIKUS MOLEKULÁRIS SZINTEN SPECIÁLIS FAL: SZEMIPERMEÁBILIS SZŐRİ az oldószer kis molekuláit (pl. víz) átengedi, de az oldott anyag nagy molekuláit nem AZ OZMÓZIS KVANTITATÍV LEÍRÁSA A B A B HIDROSZTATIKAI NYOMÁS h = oldószer (pl. víz) féligáteresztı hártya oldószer (pl. víz) + oldott anyag (pl. cukor) r: sőrőség h: magasság g = 9.81 m/s 2 OZMÓZIS = korlátozott DIFFÚZIÓ diffúzió révén történı egyirányú anyagáramlás szemipermeábilis membránon keresztül áramlás AZ OZMÓZIS KVANTITATÍV LEÍRÁSA OZMÓZIS NYOMÁS az a nyomás, amelyet a tiszta oldószerrel féligáteresztı hártyán át kapcsolatban lévı oldatra kell kifejteni ahhoz, hogy dinamikus egyensúly jöjjön létre, azaz leálljon az ozmózis az a nyomás, ami az oldószer nettó áramlását megakadályozza ó = VAN T HOFF TÖRVÉNYE híg oldatokra és tökéletes féligáteresztı hártyákra ó = ó ~ Az ozmózis nyomás egyenesen arányos a koncentrációval: koncentráció ozmózis nyomás Az OZMÓZIS során a részecskék transzportja az alacsonyabb koncentrációjú régiók (oldott anyagra nézve!) (alacsony ozmózisnyomás) felıl a magasabb koncentrációjú régiók (magas ozmózisnyomás) felé valósul meg. mindig a töményebb oldat hígul fel oldószer oldott anyag oldott anyag ó ó 4

5 AZ OLDATOK OSZTÁLYOZÁSA AZ OZMÓZIS-NYOMÁS ALAPJÁN HYPERTÓNIÁS IZOTÓNIÁS HYPOTÓNIÁS nagyobb koncentráció c környezet > c sejt azonos koncentráció c környezet = c x kisebb koncentráció c környezet < c x VÖRÖSVÉRTESTEK KÜLÖNBÖZİ KÖRNYEZETBEN HYPERTÓNIÁS (töményebb: 10% NaCl) IZOTÓNIÁS (0.87 % NaCl) HYPOTÓNIÁS (hígabb: 0.01% NaCl) p környezet > p sejt p környezet = p sejt p környezet < p sejt nagyobb ozmózis nyomás p környezet > p sejt azonos ozmózis nyomás p környezet = p sejt emberi szervezet sejtjeinek belseje, vér: 0.87 % (0.15 M) NaCl fiziológiás sóoldat 3.8 % Na-citrát 5.5 % (0.3 M) glükóz kisebb ozmózis nyomás p környezet < p sejt x: referencia, e.g. sejten belüli környezet nettó vízkiáramlás NINCS nettó vízáramlás nettó vízbeáramlás AZ OZMÓZIS ORVOSI ALKALMAZÁSAI AZ OZMÓZIS ORVOSI ALKALMAZÁSAI INJEKCIÓ, INFÚZIÓ a hatóanyag, gyógyszerek fiziológiás sóoldatban vannak feloldva izotóniás környezet: a szervezet sejtjeinek ozmotikus egyensúlya zavartalan ÖDÉMA, DUZZANATOK KEZELÉSE fokozott folyadék felhalmozódás a szövetekben dextránoldat/keserősó (MgSO 4 -oldat)-alapú kezelés ödéma p hypertóniás környezetet hoz létre az ödémás területhez képest p környezet > p ödémás terület hypertóniás p víz kiáramlás vízkiáramlást eredményez az ödémás területrıl duzzanat csökken SZÉKREKEDÉS KEZELÉSE HASHAJTÓ SÓK a hashajtó sók AZ OZMÓZIS ORVOSI ALKALMAZÁSAI a vastagbélben hypertóniás környezetet hoznak létre p környezet < p vastagbél vízbeáramlást eredményez a vastagbélbe béltartalom hígulását eredményezi hypertóniás víz beáramlás p vastagbél p súlyos vesebetegek kezelésére alkalmazott eljárás a vérben felhalmozódott oldható, toxikus anyagok eltávolítása az életfontosságú anyagok a véráramban maradnak fehérjebontási termékek sejtmérgek salakanyagok HEMODIALÍZIS, MŐVESE KEZELÉS Mővese-berendezés mőködési elvének sematikus ábrája 5

6 Ellenırzı kérdés 1 Hélium gázt tartályba zárunk, oly módon, hogy a tartályt két részre osztjuk egy féligáteresztő hártyával, ami a gáz számára átjárható. Ellenırzı kérdés 1 Hélium gázt tartályba zárunk, oly módon, hogy a tartályt két részre osztjuk egy féligáteresztő hártyával, ami a gáz számára átjárható. A. Az atomok nettó mozgása következik be a tartály bal oldala felől a jobb oldala B. Az atomok nettó mozgása következik be a tartály felső része felől az alsó része C. Az atomok nettó mozgása következik be a tartály jobb oldala felől a bal oldala D. Nem figyelhető meg az atomok mozgása. A. Az atomok nettó mozgása következik be a tartály bal oldala felől a jobb oldala B. Az atomok nettó mozgása következik be a tartály felső része felől az alsó része C. Az atomok nettó mozgása következik be a tartály jobb oldala felől a bal oldala D. Nem figyelhető meg az atomok mozgása. Ellenırzı kérdés 2 Egy főzőpoharat cukoroldattal (vízben oldott cukor) töltünk meg. A főzőpoharat egy olyan féligáteresztő hártya választja ketté (piros vonal), ami csak a vízmolekulák számára átjárható. Ellenırzı kérdés 2 Egy főzőpoharat cukoroldattal (vízben oldott cukor) töltünk meg. A főzőpoharat egy olyan féligáteresztő hártya választja ketté (piros vonal), ami csak a vízmolekulák számára átjárható. A. Semmi, a víz szintje már egyelő a főzőpohár két részében. B. Víz fog áramlani a B oldalra. C. Víz fog áramlani az A oldalra. A. Semmi, a víz szintje már egyelő a főzőpohár két részében. B. Víz fog áramlani a B oldalra. C. Víz fog áramlani az A oldalra. Ellenırzı kérdés 3 Egy hallgató vörösvérsejteket tesz egy ismeretlen oldatba, majd azt tapasztalja, hogy a vörösvérsejtek megduzzadtak, némelyikük ki is pukkad. Ellenırzı kérdés 3 Egy hallgató vörösvérsejteket tesz egy ismeretlen oldatba, majd azt tapasztalja, hogy a vörösvérsejtek megduzzadtak, némelyikük ki is pukkad. Milyen oldatba helyezte a hallgató a sejteket? A. Izotóniás B. Hypotóniás C. Hypertóniás Milyen oldatba helyezte a hallgató a sejteket? A. Izotóniás B. Hypotóniás C. Hypertóniás 6

7 ÖSSZEFOGLALÁS 15 Diffúzió. A diffúzió kvantitatív leírása: FickI. törvénye, diffúziós együttható, Einstein-Stokes-féle összefüggés, az átlagos diffúziós távolság időfüggése. Diffúzió a sejtmembránon keresztül: passzív, aktív és facilitáltdiffúzió. 16 Ozmózis. Az ozmózis kvantitatív leírása: ozmózisnyomás, Van t Hofftörvénye. Oldatok osztályozása ozmózisnyomás alapján. Az ozmózisnyomás gyakorlati jelentősége: gyógyszerek (injekciók, ödéma, duzzanatok kezelése, hashajtók) hemodialízis. 7