OZMÓZIS, MEMBRÁNTRANSZPORT

Átírás

1 OZMÓZIS, MEMBRÁNTRANSZPORT Vig Andrea PTE ÁOK Biofizikai Intézet 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) c t = D ( c x ) x Onsager-egyenlet: J=XL Transzportfolyamatok általános leírása Az extenzív fizikai mennyiség áramsűrűsége (J) egyenesen arányos az intenzív fizikai mennyiség (X) gradiensével. 1

2 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 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 2

3 Mi a különbség a tinta és a saláta/tojás/cukor kísérlet között? AZ OZMÓZIS JELENSÉGE 1. HATÁROLÓ FAL (ld. Fick-kísérlet) folyadék gáz x (távolság) NINCS TRANSZPORT 3

4 t (idő) AZ OZMÓZIS JELENSÉGE 2. NINCS HATÁROLÓ FAL x (távolság) szabad DIFFÚZIÓ részecskék egyenletes eloszlása AZ OZMÓZIS JELENSÉGE 3. SPECIÁLIS HATÁROLÓ FAL korlátozott DIFFÚZIÓ: OZMÓZIS kisebb molekulák: egyenletes eloszlás diffúzió révén nagyobb molekulák: az eredeti térrészben maradnak 4

5 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 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) 5

6 cukoroldat víz szemipermeábilis membrán AZ OZMÓZIS JELENSÉGE J KI J BE J KI J KI = J BE J KI h J BE J BE oldószer - koncentráció különbség az oldott anyagra nézve - féligáteresztő hártya: oldószer számára átjárható az oldott anyag számára nem oldott anyag - oldószer áramlik a féligáteresztő hártyán keresztül - az oldószer + oldott anyag térfogata növekszik HIDROSZTATIKUS NYOMÁS (p h ) - az oldószer áramlása lassul p h = ρgh r: sűrűség h: folyadékoszlop magassága g = 10 m/s 2 - dinamikus egyensúly OZMOTIKUS EGYENSÚLY 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 6

7 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 n kék1 =n kék2 p 1 = n piros +nk ék1 RT V p ozmózis ~c p 2 = n kék2 V RT az ozmózis-nyomás egyenesen arányos az oldat koncentrációjával 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 7

8 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 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 8

9 VÖRÖSVÉRTESTEK KÜLÖNBÖZŐ KÖRNYEZETBEN HYPOTÓNIÁS IZOTÓNIÁS HYPERTÓNIÁS Az ozmózis szerepe a növényi sejtek esetében NÖVÉNYI SEJTEK KÜLÖNBÖZŐ KÖRNYEZETBEN HYPERTÓNIÁS IZOTÓNIÁS HYPOTÓNIÁS nettó víz KIáramlás PLAZMOLÍZIS a sejtplazma vizet veszít, a sejthártya elválik a sejtfaltól NINCS nettó vízáramlás nettó víz BEáramlás TURGOR NYOMÁS a sejtplazma vizet vesz fel, a sejthártya nekipréselődik a sejtfalnak 9

10 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) vízkiáramlás 3. HASHAJTÓ SÓK (SZÉKREKEDÉS KEZELÉSE) nehezen szívódnak fel a vastagbélben (hypertóniás környezetet hoznak létre a vastagbélben vastagbélbe béltartalom hígulása vízbeáramlás a hypertóniás víz beáramlás hypertóniás 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 10

11 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 ionkoncentráció, fémionszennyeződések ellenőrzése ÖSSZEFOGLALÁS az ozmózis jelensége van t Hoff törvénye az ozmózis-nyomás és gyakorlati jelentősége (vvt, orvosi alkalmazások) 11

12 MEMBRÁNSZERKEZET, MEMBRÁNTRANSZPORT MEMBRÁNSZERKEZET Biológiai membránok (citoplazma, sejten belüli membránféleségek) közös jellemzője: Nem kovalens kötésekkel összetartott lipidekből és fehérjékből állnak. Fő komponens: foszfolipid, amfipatikus molekulák Foszfolipid: diglicerid + foszfát csoport + szerves molekula 12

13 Membrán-modellek Amerikai fizikai kémikus Lipid-oldékony 1932 Nobel díj anyagok gyorsan bejutnak a sejtbe. Zsírok egyrétegű elrendeződése a víz felszínén. Benzin-lipid keverék, a benzin elpárolgása után molekuláris lipid film keletkezik Benzin-oldékony lipidek két rétegből álló filmet 1925 alkotnak Kettős víz felszínén. lipidréteg A fehérjék integráns részei a sejt membránnak. A lipid bilayert kívül-belül proteinek rétege fedi. Részben magyarázza a proteinek, cukrok, ionok és más hidrofil anyagok gyors átjutását. Elektronmikroszkóp felfedezése. A sejtek plazmamembránnal burkoltak. Unit-membrane modell Proteinek Folyékony mozaikos mozaik modell elrendeződése a membránban. Egyes proteinek átérik a membránt, transzmembrán proteinek. Dr. habil. Kőhidai László FLUID MOZAIK MEMBRÁN MODELL Singer Nicolson 1972 vvt. membrán

14 SEJTMEMBRÁN SZERKEZETE Fluiditás: 1/ η MEMBRÁNFEHÉRJÉK Meghatározzák a membránok funkcióit. Csoportosítás: Integrális membránfehérjék (transzmembrán) hidrofób maghoz kapcsolódnak, vagy átívelik a membránt. Perifériális membránfehérjék nem közvetlenül, hanem az integrális fehérjéken keresztül kapcsolódnak a membránhoz. Glikoproteinek ezek az oligoszacharidok az extracelluláris oldalon kapcsolódnak a membránfehérjékhez. Glikozil foszfatidil inozitol (GPI) kovalensen kötődnek a membránlipidekhez. Szerep: Ioncsatornák Receptorok Jelátvitel 14

15 DIFFÚZIÓ A SEJTMEMBRÁNON KERESZTÜL EXTRACELLULÁRIS TÉR ANYAG TRANSZPORT LIPID KETTŐSRÉTEG MEMBRÁNFEHÉRJÉK INTRACELLULÁRIS TÉR citoplazma Szelektív anyagcsere víz apoláros molekulák ionok monoszaharidok aminosavak metabolitok más mechanizmus: exocitózis és endocitózis DIFFÚZIÓ A SEJTMEMBRÁNON KERSZTÜL A TRANSZPORTFOLYAMATOK CSOPORTOSÍTÁSA I. SZÁLLÍTÁSI MECHANIZMUS SZERINT KÖZVETÍTŐ NÉLKÜL KÖZVETÍTŐ SEGÍTSÉGÉVEL PASSZÍV DIFFÚZIÓ FACILITÁLT DIFFÚZIÓ ioncsatorna karrier fehérjék karrier fehérjék PASSZÍV TRANSZPORT II. ENERGIAIGÉNY SZERINT AKTÍV TRANSZPORT 15

16 DIFFÚZIÓ A SEJTMEMBRÁNON KERESZTÜL 1. PASSZÍV DIFFÚZIÓ Passzív transzport Közvetítő nélkül iránya: ELEKTROKÉMIAI POTENCIÁL GRADIENS irányába kémia potenciál gradiens (koncentráció) elektromos potenciál gradiens (töltés) diffúzió sebessége: Fick törvények közvetítő: nincs energiaigény: nincs D m : nagyságrenddekkel kisebb lehet, mint a vizes fázisra jellemző! például: hidrofób molekulák: O 2, N 2 kis méretű, poláris molekulák: CO 2, víz, alkohol, urea, glicerin glükóz, szacharóz DIFFÚZIÓ A SEJTMEMBRÁNON KERESZTÜL 2. FACILITÁLT DIFFÚZIÓ Passzív transzport Közvetítő segítségével: IONCSATORNÁN KERESZTÜL iránya: kémiai vagy elektrokémiai potenciál gradiens irányába diffúzió sebessége: gyorsabb, mint a Fick törvények által meghatározott, de telíthető (közvetítő számától függ) közvetítő: IONCSATORNA-FEHÉRJE transzmembrán fehérjék (pórusos térszerkezet) zárt / nyitott állapot: nincs transzport / transzport nyitott/zárt állapot szabályozása: mechanoszenzitív (mechanikai hatás: nyújtás, nyomás) feszültségfüggő (a membrán két oldala közötti feszültségkülönbség ld: akciós potenciál) receptor-, vagy ligandvezérelt szelektivitás: az ionok töltése és mérete szerint energiaigény: nincs 16

17 DIFFÚZIÓ A SEJTMEMBRÁNON KERESZTÜL 3. FACILITÁLT DIFFÚZIÓ Passzív transzport Közvetítő segítségével: KARRIER FEHÉRJÉK iránya kémiai vagy elektrokémiai potenciál gradiens irányába diffúzió sebessége: gyorsabb, mint a Fick törvények által meghatározott közvetítő: KARRIER-FEHÉRJE (szállító, transzporter) az ionokat, molekulákat specifikusan kötik elősegítik annak a membránon való átjutását energiaigény: nincs DIFFÚZIÓ A SEJTMEMBRÁNON KERESZTÜL 4. FACILITÁLT DIFFÚZIÓ Aktív transzport Közvetítő segítségével: KARRIER FEHÉRJÉK iránya: kémiai, vagy elektrokémiai potenciál gradienssel ELLENKEZŐ irány! ENERGIABEFEKTETÉS közvetítő: TRANSZPORTER uniporter szimporter/antiporter uniporter szimporter antiporter energiaigény: van ATPáz transzporter (ATP hidrolízise) foto transzporter (fény energiája) csatolt transzporter (másik transzport energiája) például: Na+-K+ pumpa 17