Mozgásjeleségek mikrorendszerekben 1. Molekuláris transzportfolyamatok az élő szervezetben

Átírás

1 Mozgásjeleségek mikrorendszerekben 1. Molekuláris transzportfolyamatok az élő szervezetben Az élő szervezet sejtei állandó kölcsönhatásban vannak környezetükkel, ahonnan egyes anyagokat felvesznek és visszatartanak, másokat pedig meggátolnak a behatolásban. Az elektrolit oldatnak minősülő sejtnedvek többféle iont tartalmaznak (K +, Na +, Mg +, Cl, OH, stb.), amelyek egy részére a sejtmembrán átjárható fal, viszont bizonyos ionok számára ez a membrán átjárhatatlan (ezt a tulajdonságot nevezik féligáteresztő-képességnek, idegen szóhasználattal szemipermeabilitásnak). Ennek következtében a sejtek intracelluláris és extracelluláris tere között egyenlőtlen anyageloszlás van. Egyes oldott molekulák úgyszintén áthatolnak a sejtfalon, ezáltal anyagáramlást határoznak meg a sejtmembránon keresztül. Mikrorendszerek anyagtranszportjának alapja a diffúzió és az ozmózis jelensége. 2. Diffúzió jelensége A diffúzió jelensége minden halmazállapotban megfigyelhető. Így megfigyelhető a légnemű, a cseppfolyós illetve a szilárd halmazállapotú anyagok bármelyikében. Diffúzió jelensége játszódik le például a csészébe helyezett kockacukor által egyenletesen édessé vált teában, a diffúziós szétválasztás lehetőséget ad a természetes nukleáris tüzelőanyag feldúsítására, amely dúsítás hiányában 99,3 % -ban 92 U 238 és 0,7 %-ban 92 U 235 uránizotópok keveréke. Diffúzió technológiáját alkalmazva lehetővé válik a könnyebben hasadó 92 U 235 izotópjának a szétválasztása és nukleáris tüzelőanyag feldúsítása. A diffúzió szilárd testeknél szobahőmérsékleten igen lassú folyamat, ezért ezt hatékonyabban csak magas hőmérsékleten figyelhetjük meg. Diffúzió jelenségnek nevezzük mikrorészecskék koncentrációjának kiegyenlítődését meghatározó nettó anyagáramlást, amelynek hajtóereje a koncentráció-, illetve a sűrűségkülönbség. A diffúzió a molekulák rendezetlen hőmozgásának közvetlen következménye. Diffúzió megfigyelhető azonos természetű részecskék hőmozgás hatására bekövetkező összekeveredése formájában, amely folymatot öndiffúziónak nevezünk. Tekintsünk két különböző koncentrációjú (C 1, C 2 ) folyadékréteget, amelyeket t=0 időpillanatban érintkezésbe hozunk közös S felületükön. Fick I- törvénye kvantitatív kifejezést ad az egyirányú diffúzió során kialakuló anyagtranszport értékére, amelyet az alábbi egyenlet fejez ki: dc dm = D S dt dm dc ahol mennyiséget diffúziós tömegáramnak nevezzük, a koncentráció-gradiens dt értéke, D a diffúziós anyagállandó, amely az egységnyi idő alatt, egységnyi keresztmetszeten, egységnyi koncentrációgradiens mellett átáramló anyagmennyiséget jellemzi. A diffúzió sebessége annál nagyobb minél nagyobb a D diffúziós állandó értéke.

2 A határfelületen a nagyobb koncentrációjú hely felől anyagtranszport indul meg a kisebb koncentrációjú hely felé. Elegendően hosszú idő elteltével a koncentráció különbségek kiegyenlítődnek. A diffúziós anyagállandó hőmérséklettől függő mennyiség, a hőmérséklet emelkedésével D értéke nő. Oldatoknál a D diffúziós állandó értéke, adott oldószer és hőmérséklet esetén, az oldott anyagra jellemző mennyiség. Ugyanakkor függ a koncentráció értékétől is, ezért a végtelen híg oldatra extrapolált értéket adják meg, 2 m [ D] SI = mértékegységgel kifejezve. s dc Amint láttuk Fick I. törvénye a stacionárius koncentrációgradiens esetére vonatkozik, amely feltételezi, hogy az adott helyen a koncentráció értéke időben változatlan. A nem stacionárius diffúzió jelenségét Fick II. törvénye írja le a következő egyenlet szerint: 2 dc d C = D 2 dt x t ahol a koncentráció az idő és helykoordináták függvénye. Az egyenlet értelmében a koncentráció időbeli változása arányos a koncentrációgradiens hely szerinti változásával. Folyadékokban gömbszerű részecskéket feltételezve, pld. a kolloid makromolekulák egyszerűsített modellje értelmében, a diffúziós állandó megadható a Stookes-Einstein összefüggése szerint: k T D = 6π η r ahol, r a gömb alakú makromolekula (kolloid részecske) sugara, η a folyadék R viszkozitási tényezője, T az abszolút hőmérséklet, k = a Boltzmann-állandó értéke. A molekulák átlagos haladó mozgási energiaértékét a hőmérséklet és az ütközési folyamatok során kicserélt impulzus, illetve energia mennyisége határozza meg. A kinetikai gázelmélet értelmében a részecskék haladó mozgási energiájának átlagértéke csak a hőmérsékletnek függvénye, amelyet az alábbi összefüggés fejez ki: W m = 1 3 m v 2 = k T 2 2 Ennek értelmében a kistömegű részecskék nagyobb mozgási sebességgel rendelkeznek, úm. nagyobb a mobilitásuk, habár azonos mozgási energiával rendelkeznek, amely értéke csak a hőmérséklettől függ. A diffúzió hevességét a hőmérséklet fokozza, amely adott részecsketípusra jellemző termodiffúziós tényezővel fejezhető ki: D = 0 D e E a k T N A

3 A kifejezés értelmében a hőmérséklettől függő D=D(T) termodiffúziós tényező az adott diffúziós folyamatra jellemző mennyiség, mely az E a aktivációs energiaküszöb feletti energiatartományban exponenciális növekedést mutat. A diffúzió lényeges szerepet játszik az életfolyamatokban, így például a légzési folyamatokban a diffúzió biztosítja az élő szervezet gázcseréjét. Az oxigén diffúzió utján jut a véráramba a tüdő alveoláris hólyagocskáin keresztül, illetve az arteriákban uralkodó nagyobb parciális nyomású helyről a szövetekben uralkodó kisebb parciális nyomású hely felé diffundál. A széndioxid ezzel ellentétes irányú diffúziót végez a parciális nyomások eltérő értéke következtében. Ugyancsak diffúzió jelensége biztosítja az életfolyamtokhoz szükséges anyagok vándorlását a sejtközi térben, illetve a sejtek anyagfelvételét a féligáteresztő sejtmembránon keresztül a sejtfal permeabilitása szabályozza, ahol az ún. hordozó (carrier) anyagok segítik a tápanyag felvételt. A diffúziónak sajátos esete az ún. facilitált diffúzió jelensége, például a könnyített diffúzió jelenségének megnyílvánulása az oldott molekulák áthaladását segítő oldószermolekulák szerepe a cukroknak sejtfalon való áthaladási folyamatában. A facilitált diffúzió sebességét az oldószer és az oldott anyag kémiai kölcsönhatása befolyásolja, amelyben a molekulák leszakadása egy megfelelő aktiválási energiát igényel. 3. Ozmózis jelensége A félig áteresztő falon keresztül végbemenő diffúzió jelenségének sajátos esete az ozmózis, amelyben a transzportfolyamat csak bizonyos részecskék számára lehetséges. Így a molekulatranszport bizonyos esetekben csak az egyik komponens számára lehetséges. Ilyen folyamat figyelhető meg az oldószer számára átjárható fallal elválasztott kétkomponensű oldat esetében. Molekuláris transzportjelenséget tapasztalunk a féligáteresztő fallal (szemipermeabilis hártya) elválasztott cukoroldat és a tiszta oldószer között bekövetkező egyoldalú anyagáramlásban. Ebben a folyamatban a molekulatranszportot az ozmózisnyomás okozta nyomáskülönbség tartja fenn egészen a dinamikus nyomásegyensúly beálltáig (2. ábra). A jelenség időbeli lefolyása céljából kezdetben legyen azonos magasságban az oldat és az oldószer színtje, majd az oldat szintje egyre magasabbra kúszik a behatoló vízmolekulák hatására mindaddig, amíg a Δp = ρ g h hidrosztatikai többletnyomás meggátolja az oldószer további behatolását. Ekkor az egyensúly állapotában az oldat ozmózisnyomása egyenlő a hidrosztatikai nyomással.

4 2. ábra. Ozmózis jelenségének sematikus bemutatása A jelenség azzal magyarázható, hogy az oldószer molekulái átdiffundálnak az elválasztó szemipermeabilis falon, illetve az oldott anyag molekulái nem. Ezáltal a koncentráció különbség úgy csökken, hogy az oldószer molekulái beáramlanak az oldatba ennek térfogatát növelve és ezzel segítve az oldat hígulását. Az ozmózisnyomás kifejezését Van t Hoff- törvénye fogalmazza meg: = R T c p ozmózis J liter atm ahol T a hőmérséklet, R = 8314 = 0, az egyetemes kmol K mol gram fok ν gázállandó, c = a moláris koncentráció. V Ez a kifejezés azt sugallja, hogy a híg oldatok ozmózisnyomása akkora, mintha az m tömegű oldott anyag molekulái az oldat V térfogatát ideális gázmolekulák gyanánt töltenék be, ezért az ozmózis nyomásra az ideális gázok állapotegyenletével azonos alakú összefüggést írhatjuk fel: m p ozmózis V = R T = ν R T μ ν m vagy p ozmózis = c R T, ahol c = az oldat mólkoncentrációja, illetve ρ = az oldat V V sűrűsége. Megközelítő számítást végezhetünk pld. a nádcukor ( C12H 22O11 ) esetén, ahol mol g μ = 342, c = 0,03 =10 koncentrációt választva, a T=300K szobahőmérsékleten liter l mol liter atm p=0,03 0, K =0,72 atm. liter mol gram fok A sejtek ozmózis útján vesznek fel vagy adnak le vizet a féligáteresztő sejtfalon keresztül aszerint, hogy a sejten belüli vagy a sejten kívüli oldat koncentrációja a nagyobb. Az egyenlő ozmózisnyomású oldatokat izotóniás oldatoknak nevezzük. Például, a 0,9 % -os ún. fiziológiás NaCl oldat a vérplazmával izotóniás.

5 Az ozmózis jelensége akkor is fellép, ha a szemipermeabilis hártya két oldalán azonos természetű, de különböző koncentrációjú oldatok vannak, amelynek eredményeként mindig a töményebb oldat hígul fel. Ozmózissal kapcsolatos biológiai folyamat játszódik le, például az aszalódott (zsugorodott) szőlőszemek tiszta vízben való áztatása során. Ha a szőlőszemeket néhány órán át vízben áztatjuk, akkor a szemek ozmózis folytán vizet vesznek fel és megduzzadnak, esetleg meg is repednek. A telt szőlőszemek viszont tömény cukoroldatban összezsugorodnak. Hasonló jelenség figyelhető meg a növényi sejtek plazmolízise során (3. ábra). 3. ábra. Növényi sejt plazmolízise hipertóniás oldatban: a). A sejt plazmolízis előtt, b). ugyanaz a sejt hipertóniás oldatban 1- sejtfal, 2- protoplazma-tömlő, 3- sejtnedv, 4- a protoplazma-tömlő zsugorodása utáni állapotban a sejtfalon bejutó sóoldat illetve a protoplazmából elvont víz elegye, 5- sejtmag, 6- klorofilltartók A 3a. ábrán látható egy jól fejlett növényi sejt, amelyet tömény só- vagy cukoroldatba helyezve (3b. ábra), sejtnedvek ozmózisnyomása kisebb mint az oldat ozmózisnyomása (azaz hipertóniás oldatba helyezzük), akkor a sejt protoplazma tömlője összezsugorodik a belsejéből kilépő víz hatására. Megjegyzendő, hogy a növényi sejt cellulóz fala nem játszik szerepet az ozmózisnyomás szempontjából. Az ozmózis jelenségének hajtóereje lehet a hőmérsékletkülönbség is, ekkor az ozmózis jelenségét termo-ozmózisnak nevezzük. Gyakran tapasztalható, hogy a folyadék és szilárd test érintkezési felületén elektromos kettősréteg alakul ki, amely elektrokinetikai jelenséget eredményez. Ilyen jelenség az elektro-ozmózis, amely abban nyílvánul meg, hogy elektromos feszültség hatására a folyadékmolekulák áramlásba jönnek és egy porózus falon vagy egy hajszálcső rendszeren keresztül a molekulák átdiffundálnak. Ha a folyadékban szuszpendált apró kolloidrészecskék jönnek mozgásba az elektromos feszültség hatására, a jelenséget elektroforézisnek nevezzük. A részecskék töltésüktől függően a katód vagy az anód irányában mozdulnak el. Azonos elektromos töltéssel rendelkező kolloid részecskék vándorlási sebessége a tömegüktől függ, ezáltal lehetségessé válik ezek szétválasztása. Az elektroforézisnek számos biológiai alkalmazása ismert. Például, elektroforézissel szétválaszthatóak a fehérjemolekulák, vagy a protoplazma bizonyos komponensei elektrokinetikai úton tanulmányozhatóak. Ez a jelenség hasonló az elektrolízis alkalmával tapasztalt ionvándorlással.

6 Iontoforézisnek nevezett terápiás eljárást alkalmaznak a gyógyászatban, amelynek során a hatóanyagok sóit a kezelendő testrészbe juttatják. Ezért egyenáramú áramkörbe kapcsolják a kezelendő testrészt (amelyben az áramerősség 5 15 μ A ) és pld. a pozitív sarkot képező elektródra hisztamin-oldattal megnedvesített szűrőpapírt helyeznek. Ebben az esetben a hisztamin-molekula ionja a negatív sarok felé vándorolva bejut a szövetek közé és ott fejti ki hatását.