Biofizika szeminárium november 2.

Átírás

1 Biofizika szeminárium november 2.

2 Diffúzió Jelentősége, Fick I. és Fick II. törvény, termodiffúzió Ozmózis Víz Feladatok

3 Jelentősége: biológia rendszerek anyagtranszport folyamatai az anyagok sejtmembránon keresztül történő áthaladása alapvető anyagcsere-folyamatok vér és a tüdő közötti gázcsere ingerületi folyamatok gyógyszerek felszívódása kémiai reakciók termodiffúzió

4 Brown-mozgás Diffúzió

5 Transzportfolyamatok általános leírása Onsager-egyenlet J=XL Az extenzív fizikai mennyiség áramsűrűsége (J) egyenesen arányos az intenzív fizikai mennyiség (X) gradiensével.

6 Definíció: Hőmozgás okozta anyagáramlás, amely egy rendszert a koncentráció-különbségek kiegyenlítődése irányába mozdít el. Oka: Ha egy rendszerben az anyag nem egyenletesen oszlik el (pl. a kockacukor egy pohár vízben), akkor a részecskék rendezetlen, lökdösődő mozgása előbb-utóbb magától is egyenletes anyageloszlást fog létrehozni. Fizikai kifejezéssel élve: az anyagi rendszerek önként elmozdulnak a rendezettebb állapotok felől a kevésbé rendezettek irányába (ez az entrópia növekedés tétele).

7 Diffúzió leírása Két komponensű a diffúzió: 1. ami diffundál (cukor, tinta) 2. amiben diffundál (kávé, víz) Anyagáram-erősség Anyagáram-sűrűség J v Iv A n A [mol/m 2 s] [mol/s] Megadja, hogy egységnyi felületen egységnyi idő alatt hány mólnyi anyag jut keresztül.

8 Fick I. törvény Fick kísérlete: Adolf Eugen Fick ( ) Német anatómus, fiziológus Anyagáram-sűrűség Koncentráció gradiens J v Iv A n A Onsager-egyenlet J X n A c x

9 Fick I. törvény J D c x Fick 1. törvénye: az anyagáram-sűrűség egyenesen arányos a koncentrációeséssel. D diffúziós együttható, ami megadja az egységnyi idő alatt egységnyi felületen átdiffundált anyag mennyiségét, ha a koncentrációesés is egységnyi volt. Függ a részecske és a közeg sajátságaitól Mértékegysége: m 2 /s

10 Gömbszimmetrikus részecskékre (r), diffúzójára η viszkozitású közegben T hőmérsékleten: Stokes-Einstein összefüggés kt D 6 r

11 Koncentrációnak csak a térbeli változását vettük figyelembe, pedig diffúzió során fontos a koncentráció időtől való függését is vizsgálni. Miért fontos ezt vizsgálni? injekció fontos tudni, hogy mennyi időt vesz igénybe a diffúzió a koncentráció állandó változása mellett. Anyagcserefolyamatok sebességének meghatározása

12 Fick II. Fick törvénye A koncentráció térbeli-időbeli változását írja le. Vizsgáljuk a diffúziót 1D-ban (x tengely mentén) beáramlott anyagmennyiség anyagáram sűrűség kiáramlott anyagmennyiség anyagáram sűrűség

13 Az anyagmennyiség nettó változása (Δn) a ΔV térfogatban Δt idő alatt: c koncentrációból számolt = J anyagáram sűrűségből számolt (c t+δt -c t )AΔx = (Jx-Jx+ Δx) A Δt Fick I. törvényéből J c D x Δc Δx = - ΔJ Δt J c x t Fick II. törvénye

14 Egyenletes kezdeti koncentráció eloszlás Hőmérsékletkülönbség hatására jön létre az áramlás A hővel együtt komponensek is áramlanak. A hő a melegebb helyről a hidegebb felé áramlik. Ezért hidegebb helyen dúsul fel az anyag. A kisebb tömegű részecskék gyorsabban diffundálnak a magasabb hőmérsékletű hely felé. A melegebb helyen a kisebb tömegű, a hidegebb helyen a nagyobb tömegű részecskék jutnak túlsúlyba. Soret-effektus Dufour effektus A hő áramlásával előidézett anyagáramlás. Az előbbi fordítottja. Anyagáramlással előidézett hőáram.

15

16 Ozmózis A diffúzió különleges formája. Itt a részecskék, molekulák szabad áramlását egy szűrő, a szemipermeábilis hártya (Pl.: sejtfal, celofán, biológiai membránok) megakadályozza. Az oldószer (általában a víz) diffúziója féligáteresztő hártyán keresztül. Féligáteresztő hártya Erythrocyta Albumin Elektrolitok Baktériumok Közepes méretű molekulák Pl. b2-microglobulin A víz átáramlása

17 Az oldott anyagok nem tudnak átjutni a membránon, így a koncentráció kiegyenlítődésére való törekvés miatt víz áramlik át a membránon. Az ozmózis jelensége akkor is fellép, ha a féligáteresztő hártya két oldalán különböző koncentrációjú oldatok vannak. Mindig a töményebb oldat hígul fel!

18 Anyagtranszport a sejtmembránon keresztül Általában az extra- és intracelluláris oldat azonos ozmotikus nyomású:izotóniásoldat pl.vörösvértest fiziológiás sóoldatban(0,9%nacl) Ha az extracelluláris oldat alacsonyabb ozmotikus nyomású, mint az intracelluláris: Hipotóniás oldat Mivel az oldott anyag nem tud a sejtből távozni,passzív vízbeáramlás indul meg: duzzadás pl.vörösvértest olyan sóoldatban,amely koncentrációja<0,9%nacl pl.sport italok:rehidratáció Ha az extracelluláris oldat magasabb ozmotikus nyomású, mint az intracelluláris: Hipertóniás oldat Mivel az oldott anyag nem tud a sejtbe bejutni, passzív vízkiáramlás indul meg: zsugorodás Pl.: agyödéma ellen olyan sóoldat, amely konc. > 0,9 % NaCl

19 Féligátersztő hártya cukoroldat víz Oldószer be t 0 időpillanatban t időpillanatban Oldószer beáramlása Nő a zsákon belüli nyomás Segíti az oldószer kiáramlását A nyomás csak a dinamikus egyensúly beálltáig növekedhet. Egységnyi idő alatt ugyanannyi oldószer diffundál be, mint amennyi a nyomáskülönbség hatására kipréselődik. Ozmotikus egyensúly! Ennek megfelelő nyomáskülönbség az OZMOTIKUS NYOMÁS

20 Az a nyomás, amelyet a tiszta oldószerrel féligáteresztő hártyán át kapcsolatban lévő oldatra kell kifejteni ahhoz, hogy dinamikus egyensúly jöjjön létre, azaz leálljon az ozmózis. Van t Hoff-törvény p ozmózis gh p ozmózis crt ρ- sűrűség h- folyadékoszlop magassága g- 9,81 m/s 2 c- oldat koncentrációja R-egyetemes gázállandó T-abszolút hőmérséklet Híg oldatok ozmózisnyomása közelítőleg akkora, mint amekkora nyomást az oldott anyag kifejtene, ha az oldattal azonos térfogatot ugyanazon a hőmérsékleten gáz alakban töltené ki.

21 Reverz ozmózis Idő Nyomás Nyomás lép fel a membrán egyik oldalán. Ultrafiltráció Idő Nyomás A víznek és a benne oldott anyagoknak a membrán egyik oldalára kifejtett nyomása ezek átszűrődését okozza a membrán másik oldalára. Ez addig tart, amíg nyomást fejtenek ki a membrán oldalára.

22 1. Dialízis Diffúzió és az ozmózis szerepe, felhasználása A dialízis lényege a veseműködés mesterséges pótlása. Az ozmózis illetve diffúzió törvényén alapuló folyamat segítségével kiszűrik a méreganyagot a vérből. Alkalomszerűen kidializálható mérgezésben, rendszeresen krónikus uraemia esetében alkalmazzák.

23 Nagy intenzitású lézernyalábbal besugározzuk a minta egy körülhatárolt részét. A molekulák kifakulnak a besugárzott területen belül, azaz elvesztik a fluoreszcenciájukat Mivel a molekulák mozgékonyak - diffúzió, aktív transzport - a kifakult, nem fluoreszkáló molekulák kicserélődnek a nem kifakult, azaz fluoreszkáló molekulákkal. Így a lézersugárral kifakított foltban a fluoreszcencia intenzitás növekedni fog.

24

25 0 C-on mért fizikai jellemzők

26 A víz sűrűsége Sűrűség-anomália a víz sűrűsége 4 C-on a legnagyobb.

27 A víz fázisdiagramja Egy anyag halmazállapotainak ábrázolása a nyomás, a térfogat és a hőmérséklet függvényében. Ennek kétdimenzós vetülete a nyomáshőmérséklet diagram. Kisebb nyomáson a víz forráspontja is alacsonyabb. Így, ha pl. a Himaláján főzünk, akkor a víz 100 C alatt forrásba jön, mondjuk a bableves mégsem fő meg (ahhoz 100 C kell).

28 A víz tulajdonságainak magyarázata A szokatlanul magas fajhő, felületi feszültség, olvadáshő, párolgáshő, olvadáspont és fagyáspont magyarázata a vízben jelenlévő nagyszámú hidrogénhíd kötés. A jég vízénél kisebb sűrűségének magyarázata a hexagonális kristályszerkezet és a benne található sok üres tér. A víz biológiai jelentősége Sűrűség anomália, magas olvadás/fagyáshő: a tengerek és tavak vize felülről fagy be és nem fagy be teljesen, így biztosítja az élet fennmaradását. Nagy hőkapacitás: segíti az állandó hőmérséklet fenntartását, az élő szervezetek nem könnyen hűlnek ki. Nagy párolgáshő: az élő szervezetek párolgással könnyen adhatnak le hőt. Nagy dipólmomentum: kiváló oldószer tápanyagok és biológiailag fontos vegyületek számára, makromolekulák körül hidrátburkot képez (között víz).

29 Melyik oldatnak van nagyobb ozmotikus nyomása: amelyik 3,9*10-2 mol/l naftalint (C 10 H 8 ), vagy amelyik 2,81*10-2 mol/l antracént (C 14 H 10 ) tartalmaz? Indokolja meg a választ és számítsa ki az oldatok ozmózisnyomását 25 C hőmérsékleten. R=8,314 J/molK. 3, , ,16 = 96,68 kpa 2, , ,16 = 69,66 kpa

30 Egy fehérje oldat ozmózisnyomása 20 C-on 2,133 kpa. Mennyi a fehérje moltömege? A fehérjeoldat sűrűsége 1 g/cm 3 és az R=8,314 J/molK. P ozmózis V=nRT p ozmózis m n M n V RT 1,14*10 3 g/mol m 1 p ozmózis * R *T M V

31 Köszönöm a figyelmet!