Biofizika I. OZMÓZIS. Dr. Szabó-Meleg Edina PTE ÁOK Biofizikai Intézet

Átírás

1 Biofizika I. OZMÓZIS Dr. Szabó-Meleg Edina PTE ÁOK Biofizikai Intézet

2 ÁTTEKINTÉS DIFFÚZIÓ BROWN-MOZGÁS a részecskék rendezetlen hőmozgása DIFFÚZIÓ a részecskék egyenletlen (inhomogén) eloszlásának következtében a részecskék transzportja (Brown mozgás) valósul meg a magasabb koncentrációjú régiók felől az alacsonyabb koncentrációjú régiók felé amíg a részecskék egyenletes eloszlást (homogén) nem mutatnak (anyagi rendszerek önként elmozdulnak a rendezettebb állapotok felől a kevésbé rendezettek irányába (ez az entrópia növekedés tétele)) FICK I. TÖRVÉNYE (térbeli leírás) (-> Onsager-féle lineáris összefüggés) J = D c x DIFFÚZIÓS EGYÜTTHATÓ: Stokes-Einstein összefüggés D = kt 6πηr FICK II. TÖRVÉNYE (térbeli & időbeli leírás) transzport jellege Passzív passzív Facilitált iránya kémiai/elektrokémiai potenciál grádiens kémiai/elektrokémiai potenciál grádienssel ellentétes közvetítő - ion csatorna karrier fehérje energiaigény - van aktív példa O 2, urea, víz Na + glükóz Na + /K + pumpa Onsager-egyenlet: J=XL Transzportfolyamatok általános leírása Az extenzív fizikai mennyiség áramsűrűsége (J) egyenesen arányos az intenzív fizikai mennyiség (X) gradiensével. DIFFÚZIÓ A SEJTMEMBRÁNON KERESZTÜL

3 AZ OZMÓZIS JELENSÉGE A KONYHÁBAN Kísérlet: tegyünk egy száraz salátalevelet vízbe előtte Osmosis in the kitchen.mp4 utána (3-4 óra) Megfigyelés: a salátalevél nagyobb és újra friss lesz

4 AZ OZMÓZIS JELENSÉGE Kísérlet: tegyünk egy tojást kukorica szirupba, majd vízbe KUKORICA SZIRUP Megfigyelés: a tojás zsugorodni kezd Megfigyelés: az összezsugorodott tojás visszanyeri eredeti méretét, sőt egyre nagyobb lesz előtte utána előtte utána VÍZ Kísérlet: kisméretű, féligáteresztő zsákot töltsünk meg cukoroldattal, majd helyezzük vízzel teli tartályba cukor oldat víz előtte utána Megfigyelés: a zsák megduzzad, a benne lévő cukoroldat felhígul

5 Mi a különbség a tinta és a saláta/tojás/cukor kísérlet között?

6 AZ OZMÓZIS JELENSÉGE 1. HATÁROLÓ FAL (ld. Fick-kísérlet) folyadék gáz x (távolság) NINCS TRANSZPORT

7 t (idő) AZ OZMÓZIS JELENSÉGE 2. NINCS HATÁROLÓ FAL x (távolság) szabad DIFFÚZIÓ részecskék egyenletes eloszlása

8 AZ OZMÓZIS JELENSÉGE 3. SPECIÁLIS HATÁROLÓ FAL korlátozott DIFFÚZIÓ: OZMÓZIS kisebb molekulák: egyenletes eloszlás diffúzió révén nagyobb molekulák: az eredeti térrészben maradnak

9 AZ OZMÓZIS JELENSÉGE 3. SPECIÁLIS HATÁROLÓ FAL SZEMIPERMEÁBILIS=FÉLIGÁTERESZTŐ szűrő az oldószer kis molekuláit átengedi, de az oldott anyag nagy molekuláit nem PÓRUSMÉRET SZELEKTIVITÁS pl: állati eredetű hártyák, sejtmembrán, lyukacsos agyaglemez, celofán szemipermeábilis membrán

10 AZ OZMÓZIS JELENSÉGE - fal típusa összefoglalás határolófal típusa van: átjárhatatlan nincs van: FÉLIGÁTERESZTŐ nincs anyag transzport szabad diffúzió korlátozott diffúzió: OZMÓZIS OZMÓZIS: diffúzió útján történő egyirányú anyagáramlás féligáteresztő hártya + koncentrációkülönbség (az oldott anyag minősége az ozmózis szempontjából közömbös)

11 cukoroldat víz szemipermeábilis membrán AZ OZMÓZIS JELENSÉGE J KI J BE J KI = J BE J KI J KI h oldószer J BE féligáteresztő hártya - koncentráció különbség az oldott anyagra nézve - féligáteresztő hártya: oldószer számára átjárható az oldott anyag számára nem oldószer + oldott anyag - oldószer áramlik a féligáteresztő hártyán keresztül - az oldószer + oldott anyag térfogata növekszik HIDROSZTATIKUS NYOMÁS (p h ) - az oldószer áramlása lassul J BE p h = ρgh r: sűrűség h: folyadékoszlop magassága g = 10 m/s 2 - dinamikus egyensúly OZMOTIKUS EGYENSÚLY

12 AZ OZMÓZIS-NYOMÁS J KI J KI J BE J BE OZMÓZIS-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 az a nyomás, ami az oldószernek a nettó áramlását megakadályozza p h = p ozmózis p ozmózis = ρgh

13 AZ OZMÓZIS-NYOMÁS VAN T HOFF-TÖRVÉNY p ozmózis V = nrt p ozmózis = n V RT p ozmózis = crt c piros p 1 -p 2 =p ozmózis = n piros V RT pv=nrt p 1 = n piros +nk ék1 V n kék1 =n kék2 RT p ozmózis ~c p 2 = n kék2 V RT az ozmózis-nyomás egyenesen arányos az oldat koncentrációjával

14 AZ OZMÓZIS-NYOMÁS OZMÓZIS során a részecskék transzportja az alacsonyabb koncentrációjú régiók (oldott anyagra nézve!!!!!) (alacsony ozmózis-nyomás) felől a magasabb koncentrációjú régiók (magas ozmózis-nyomás) felé valósul meg alacsony ozmózis nyomás felől magas ozmózis nyomás felé mindig a töményebb oldat hígul fel OZMÓZIS 1 2 OLDOTT ANYAG c1 < c2 p1 ozmózis < p2 ozmózis oldószer oldószer + oldott anyag

15 AZ OZMÓZIS-NYOMÁS AZ OLDATOK OSZTÁLYOZÁSA AZ OZMÓZIS-NYOMÁS ALAPJÁN HYPERTÓNIÁS IZOTÓNIÁS HYPOTÓNIÁS nagyobb koncentráció c > c x nagyobb az ozmózisnyomás p > p x x: referencia azonos koncentráció c = c x azonos ozmózis-nyomás p = p x emberi szervezet sejtjeinek belseje, vér: 0.87 % (0.15 M) NaCl fiziológiás sóoldat 3.8 % Na-citrát 5.5 % (0.3 M) glükóz kisebb koncentráció c < c x kisebb az ozmózis-nyomás p < p x

16 VÖRÖSVÉRTESTEK KÜLÖNBÖZŐ KÖRNYEZETBEN HYPERTÓNIÁS (töményebb: 10% NaCl) IZOTÓNIÁS (0.87 % NaCl) HYPOTÓNIÁS (hígabb: 0.01% NaCl) p kivül > p belül p kivül = p belül p kivül < p belül nettó vízkiáramlás NINCS nettó vízáramlás nettó vízbeáramlás

17 VÖRÖSVÉRTESTEK KÜLÖNBÖZŐ KÖRNYEZETBEN HYPOTÓNIÁS IZOTÓNIÁS HYPERTÓNIÁS

18 Az ozmózis szerepe a növényi sejtek esetében NÖVÉNYI SEJTEK KÜLÖNBÖZŐ KÖRNYEZETBEN HYPERTÓNIÁS IZOTÓNIÁS HYPOTÓNIÁS nettó vízkiáramlás PLAZMOLÍZIS a sejtplazma vizet veszít, a sejthártya elválik a sejtfaltól NINCS nettó vízáramlás nettó vízbeáramlás TURGOR NYOMÁS a sejtplazma vizet vesz fel, a sejthártya nekipréselődik a sejtfalnak

19 AZ OZMÓZIS ORVOSI ALKALMAZÁSAI 1. INJEKCIÓ, INFÚZIÓ a hatóanyag, gyógyszerek fiziológiás sóoldatban vannak feloldva (izotóniás környezet /a szervezet sejtjeinek/) 2. ÖDÉMA, DUZZANATOK KEZELÉSE fokozott folyadék felhalmozódás a szövetekben dextránoldat / keserűsó (MgSO 4 -oldat)-alapú kezelés (hypertóniás környezetet hoz létre az ödémás területhez képest vízkiáramlás az ödémás területről csökken a duzzanat) 3. HASHAJTÓ SÓK (SZÉKREKEDÉS KEZELÉSE) nehezen szívódnak fel a vastagbélben (hypertóniás környezetet hoznak létre a vastagbélben vízbeáramlás a vastagbélbe béltartalom hígulása hypertóniás víz beáramlás hypertóniás vízkiáramlás

20 4. DIALÍZIS AZ OZMÓZIS ORVOSI ALKALMAZÁSAI különböző részecskéket egymástól elválaszthatunk féligáteresztő hártyákon keresztül megvalósuló ozmózissal a féligáteresztő hártya pórusméretével szabályozható milyen molekulaméret-határig engedjen át dialízis zsák szemipermeábilis hártya koncentrált oldat t = 0 s t

21 ionkoncentráció, fémionszennyeződések ellenőrzése 4.1. HEMODIALÍZIS AZ OZMÓZIS ORVOSI ALKALMAZÁSAI súlyos vesebetegek kezelésére alkalmazott eljárás a vérben felhalmozódott oldható, a vese számára toxikus salakanyagok eltávolítása (pl. vízben oldható fehérjelebontási termékek, sejtmérgek, egyéb salakanyagok eltávoznak a vízzel együtt, plazmafehérjék, vérsejtek a vérben maradnak) fehérjebontási termékek sejtmérgek salakanyagok Művese-berendezés működési elvének sematikus ábrája hosszú cső alakú hártya (membrán): celofán kezelés időtartama: 4-8h dializálóoldat folyamatos cseréje

22 ÖSSZEFOGLALÁS az ozmózis jelensége van t Hoff törvénye az ozmózis-nyomás és gyakorlati jelentősége (vvt, orvosi alkalmazások)