OZMÓZIS. BIOFIZIKA I Október 25. Bugyi Beáta PTE ÁOK Biofizikai Intézet

Átírás

1 BIOFIZIKA I Október 25. Bugyi Beáta PTE ÁOK Biofizikai Intézet

2 Áttekintés 1. Diffúzió rövid ismétlés 2. Az ozmózis jelensége és leírása 4. A diffúzió és ozmózis orvos biológiai jelentősége

3 Diffúzió - áttekintés TRANSZPORTFOLYAMATOK ÁLTALÁNOS LEÍRÁSA ONSAGER EGYENLET lineáris, irreverzibilis folyamatokra adott kölcsönhatás: az extenzív fizikai mennyiség áramsűrűsége (J) egyenesen arányos az intenzív fizikai mennyiség gradiensével (X) J LX DIFFÚZIÓ részecskék (atomok, molekulák, ionok) inhomogén eloszlása intenzív fizikai mennyiség gradiense: koncentráció (c), kémiai potenciál (μ) részecskék véletlenszerű hőmozgása részecskék transzportja a magasabb koncentrációjú régiók felől az alacsonyabb koncentrációjú régiók felé részecskék eloszlása egyenletes

4 Diffúzió - áttekintés FICK I. TÖRVÉNYE térbeli leírás 1D-ban J c D x FICK II. TÖRVÉNYE térbeli és időbeli leírás 1D-ban c ( ) x c D x t [ D] m s 2 D: DIFFÚZIÓS EGYÜTTHATÓ egységnyi koncentrációkülönbség esetén az egységnyi keresztmetszeten egységnyi idő alatt átáramló anyag mennyisége D kt 6 r gömbszimmetrikus részecskére hőmérséklet (T) részecske tömege, geometriája (M, r) közeg viszkozitása (η) D m 2 /s

5 Az ozmózis jelensége

6 Az ozmózis jelensége 1. HATÁROLÓ FAL NINCS TRANSZPORT

7 Az ozmózis jelensége 2. NINCS HATÁROLÓ FAL szabad DIFFÚZIÓ részecskék egyenletes eloszlása

8 Az ozmózis jelensége 3. SPECIÁLIS HATÁROLÓFAL: SZEMIPERMEÁBILIS szemipermeábilis: féligáteresztő az oldószer kis molekuláit átengedi, de az oldott anyag nagy molekuláit nem szűrő pl: állati eredetű hártyák, élő sejtek fala, lyukacsos agyaglemez, celofán korlátozott DIFFÚZIÓ:

9 Az ozmózis jelensége határolófal típusa van átjárhatatlan nincs van féligáteresztő anyag transzport NINCS szabad DIFFÚZIÓ korlátozott diffúzió : diffúzió útján történő egyirányú anyagáramlás

10 Az ozmózis jelensége alacsony oldott anyag magas oldott anyag féligáteresztő hártya koncentrációkülönbség + féligáteresztő hártya

11 Az ozmózis jelensége alacsony oldott anyag J BE magas oldott anyag J KI féligáteresztő hártya koncentrációkülönbség + féligáteresztő hártya oldószer (víz) áramlása a féligáteresztő hártyán keresztül J BE J KI

12 Az ozmózis jelensége alacsony oldott anyag J BE magas oldott anyag J KI h féligáteresztő hártya koncentrációkülönbség + féligáteresztő hártya oldószer (víz) áramlása a féligáteresztő hártyán keresztül JBE J KI a töményebb oldat térfogatnövekedése (h) a töményebb oldatban megnövekedett nyomás: hidrosztatikai nyomás

13 Az ozmózis jelensége alacsony oldott anyag J BE magas oldott anyag J BE J KI J KI h féligáteresztő hártya koncentrációkülönbség + féligáteresztő hártya oldószer (víz) áramlása a féligáteresztő hártyán keresztül a töményebb oldat térfogatnövekedése (h) JBE J KI a töményebb oldatban megnövekedett nyomás: hidrosztatikai nyomás dinamikus egyensúly: az oldószer áramlására OZMOTIKUS EGYENSÚLY JBE J KI

14 Az ozmózis jelensége alacsony oldott anyag J BE magas oldott anyag J BE J KI J KI h féligáteresztő hártya koncentrációkülönbség + féligáteresztő hártya oldószer (víz) áramlása a féligáteresztő hártyán keresztül a töményebb oldat térfogatnövekedése (h) JBE J KI a töményebb oldatban megnövekedett nyomás: hidrosztatikai nyomás dinamikus egyensúly: az oldószer áramlására OZMOTIKUS EGYENSÚLY JBE J KI

15 Az ozmózis-nyomás alacsony oldott anyag J BE magas oldott anyag J BE J KI J KI h féligáteresztő hártya -NYOMÁS 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 p ozmózis gh : sűrűség h: folyadékoszlop magassága g = 10 m/s 2

16 Az ozmózis-nyomás híg oldatokra és tökéletes féligáteresztő hártyákra az ideális gáz állapotegyenlete p p ozmózis ozmózis V n V nrt RT p ozmózis crt VAN T HOFF-TÖRVÉNY híg oldatok ozmózisnyomása közelítőleg akkora, mint amekkora nyomást az oldott anyag kifejtene, ha az oldattal azonos térfogatot ugyanazon a hőmérsékleten gáz alakban töltené ki

17 Az oldatok osztályozása az ozmotikus nyomás alapján IZOTÓNIÁS két különböző oldat ozmózisnyomása megegyezik: extra- és intracelluláris oldat azonos ozmotikus nyomású az emberi szervezet sejtjeinek oldatai a 0,87 % (n/n: mólszázalék, 0.15 M) NaCl oldattal azonos ozmózisnyomásúak fiziológiás sóoldat HYPERTÓNIÁS nagyobb ozmózisnyomás extracelluláris oldat magasabb ozmotikus nyomású, mint az intracelluláris vízkiáramlás HYPOTÓNIÁS kisebb ozmózisnyomás extracelluláris oldat alacsonyabb ozmotikus nyomású, mint az intracelluláris vízbeáramlás

18 Vörösvértestek különböző környezetben Állati sejtek: p 6 ozmózis Pa p 5 atm 10 Pa HYPERTÓNIÁS (töményebb: 10% NaCl) IZOTÓNIÁS (0.9 % NaCl) HYPOTÓNIÁS (hígabb: 0.01% NaCl) passzív vízkiáramlás passzív vízbeáramlás

19 Vörösvértestek különböző környezetben HYPERTÓNIÁS IZOTÓNIÁS (0.9 % NaCl) HYPOTÓNIÁS

20 Növényi sejtek különböző környezetben Növényi sejtek: p 6 ozmózis Pa HYPERTÓNIÁS IZOTÓNIÁS HYPOTÓNIÁS PLAZMOLÍZIS a sejtplazma vizet veszít, a sejthártya elválik a sejtfaltól TURGOR NYOMÁS a sejtplazma vizet vesz fel, a sejthártya nekipréselődik a sejtfalnak

21 Orvosi alkalmazások injekció, infúzió fiziológiás sóoldat ödémák, végtagi gyulladásos területek kezelése a testfolyadékhoz képest hipertóniás dextránoldat / keserűsó (MgSO 4 -oldat) vízkiáramlás hashajtó sók vastagbélből nehezen szívódnak fel, ott hipertóniás közeget hoznak létre, ami a bélbe történő vízvisszaáramlást idéz elő béltartalom hígulása

22 Dialízis DIALÍZIS különböző (makro)molekulákat egymástól elválaszthatunk féligáteresztő hártyákon keresztül történő ozmózissal a féligáteresztő hártya pórusméretével szabályozható milyen molekulatömeg határig engedjen át dialízis zsák szemipermeábilis hártya koncentrált oldat t = 0 s t

23 Orvosi alkalmazások HEMODIALÍZIS a vérben felhalmozódott oldható, a vese számára toxikus salakanyagok eltávolítása fehérjebontási termékek sejtmérgek salakanyagok

24 Féligáteresztő hártyák Az élő sejtek fala: sejtmembrán membránfehérjék extracelluláris tér lipid kettősréteg cytoplazma

25 Anyagtranszport a sejtmembránon keresztül Diffúzió biológiai jelentősége SZÁLLÍTÁSI MECHANIZMUS SZERINT szállító molekula nélkül szállító molekula segítségével diffúzió facilitált diffúzió csatorna karrier fehérjék karrier fehérjék passzív transzport aktív transzport ENERGIAIGÉNY SZERINT

26 Anyagtranszport a sejtmembránon keresztül Passzív transzport: DIFFÚZIÓ Diffúzió biológiai jelentősége a részecske a koncentráció gradiensnek megfelelően mozog közvetítő : nincs energiaigény: nincs a transzport sebessége függ két oldal közötti koncentrációkülönbségtől hőmérséklettől diffundáló anyag méretétől, alakjától felület méretétől távolságtól hidrofób molekulák: O2, N2 kis méretű, poláris molekulák: CO2, víz, alkohol, urea, glicerin glükóz, szacharóz

27 Anyagtranszport a sejtmembránon keresztül Passzív transzport : FACILITÁLT DIFFÚZIÓ IONCSATORNÁN KERESZTÜL Diffúzió biológiai jelentősége a részecske a koncentráció- és elektromos potenciál gradiensnek megfelelően mozog elektrokémiai potenciál gradiens energiaigény: nincs közvetítő : ioncsatorna: transzmembrán fehérjék (pórusos térszerkezet) zárt állapot: nincs transzport nyitott állapot: anyagáramlás, az ion elektrokémiai gradiensének irányába nyitott/zárt állapot szabályozása: mechanoszenzitív (mechanikai hatás: nyújtás, nyomás) feszültségfüggő (a membrán két oldala közötti feszültségkülönbség ld: akciós potenciál) ligandvezérelt (a receptorhoz bekötődő ligandum) szelektivitás: az ionok töltése és mérete szerint

28 Anyagtranszport a sejtmembránon keresztül Passzív transzport: FACILITÁLT DIFFÚZIÓ KARRIER-FEHÉRJÉK SEGÍTSÉGÉVEL Diffúzió biológiai jelentősége a részecske az oldott anyag a koncentráció gradiensnek megfelelően mozog közvetítő : karrier-fehérjék (szállító, transzporter) az ionokat, molekulákat specifikusan kötik energiaigény: nincs

29 Anyagtranszport a sejtmembránon keresztül Aktív transzport: FACILITÁLT DIFFÚZIÓ KARRIER-FEHÉRJÉK SEGÍTSÉGÉVEL Diffúzió biológiai jelentősége a részecske az oldott anyag a koncentráció gradiensnek megfelelően mozog közvetítő : karrier-fehérjék (szállító, transzporter) az ionokat, molekulákat specifikusan kötik energiaigény: van