BIOFIZIKA I OZMÓZIS - 2010. 10. 26. Bugyi Beáta (PTE ÁOK Biofizikai Intézet) OZMÓZIS
BIOFIZIKA I - DIFFÚZIÓ 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
BIOFIZIKA I - DIFFÚZIÓ DIFFÚZIÓ - ÁTTEKINTÉS FICK 1 TÖRVÉNYE térbeli leírás 1D-ban J c D x FICK 2 TÖRVÉNYE térbeli és időbeli leírás 1D-ban D c ( ) x x c t
BIOFIZIKA I - DIFFÚZIÓ DIFFÚZIÓ - ÁTTEKINTÉS DIFFÚZIÓS EGYÜTTHATÓ [ D] egységnyi koncentrációkülönbség esetén az egységnyi keresztmetszeten egységnyi idő alatt átáramló anyag mennyisége D m s kt 6 r /gömbszimmetrikus részecske/ hőmérséklet (T) részecske tömege, geometriája (M, r) közeg viszkozitása (η) D 10-5 10-12 m 2 /s 2
OZMÓZIS 1. HATÁROLÓ FAL NINCS TRANSZPORT
OZMÓZIS 2. NINCS HATÁROLÓ FAL szabad DIFFÚZIÓ részecskék egyenletes eloszlása
OZMÓZIS 3. SPECIÁLIS HATÁROLÓFAL féligáteresztő (szemipermeábilis) 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: OZMÓZIS
OZMÓZIS diffúzió útján történő egyirányú anyagáramlás
alacsony oldott anyag J BE magas oldott anyag J BE OZMÓZIS-NYOMÁS h J KI J KI féligáteresztő hártya koncentrációkülönbség + féligáteresztő hártya oldószer (víz) áramlása a féligáteresztő hártyán keresztül JBE J KI a töményebb oldat térfogatnövekedése (folyadékoszlop magassága: h) a töményebb oldatban megnövekedett nyomás: hidrosztatikai nyomás dinamikus egyensúly: az oldószer áramlására JBE J KI OZMOTIKUS EGYENSÚLY p ozmózis gh 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
OZMÓZIS-NYOMÁS híg oldatokra és tökéletes féligáteresztő hártyákra 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 p ozmózis c
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
OZMÓZIS-NYOMÁS OLDATOK OSZTÁLYOZÁSA AZ OZMOTIKUS NYOMÁS ALAPJÁN két különböző oldat ozmózisnyomása megegyezik: IZOTÓNIÁS 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 nagyobb ozmózisnyomása: HYPERTÓNIÁS extracelluláris oldat magasabb ozmotikus nyomású, mint az intracelluláris vízkiáramlás kisebb ozmózisnyomás: HYPOTÓNIÁS extracelluláris oldat alacsonyabb ozmotikus nyomású, mint az intracelluláris vízbeáramlás
VÖRÖSVÉRTESTEK KÜLÖNBÖZŐ KÖRNYEZETBEN Állati sejtek: p 6 ozmózis 0.8 10 Pa p 5 atm 10 Pa HYPERTÓNIÁS (töményebb: 10% NaCl) IZOTÓNIÁS (0.9 % NaCl) HYPOTÓNIÁS (hígabb: 0.01% NaCl) passzív vízkiáramlás passzív vízbeáramlás
VÖRÖSVÉRTESTEK KÜLÖNBÖZŐ KÖRNYEZETBEN HYPERTÓNIÁS IZOTÓNIÁS (0.9 % NaCl) HYPOTÓNIÁS
NÖVÉNYI SEJTEK KÜLÖNBÖZŐ KÖRNYEZETBEN Növényi sejtek: p 6 ozmózis 0.4 4 10 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
injekció, infúzió fiziológiás sóoldat ORVOSI ALKALMAZÁSOK 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
AZ ORVOSI GYAKORLATBAN hemodialízis a vérben felhalmozódott oldható, a vese számára toxikus salakanyagok eltávolítása fehérjebontási termékek sejtmérgek salakanyagok
FÉLIGÁTERESZTŐ HÁRTYÁK élő sejtek fala: sejtmembrán membránfehérjék extracelluláris tér lipid kettősréteg cytoplazma
BIOFIZIKA I DIFFÚZIÓ, OZMÓZIS DIFFÚZIÓ BIOLÓGIAI JELENTŐSÉGE ANYAGTRANSZPORT A SEJTMEMBRÁNON KERESZTÜL szállítási mechanizmus szerint szállító molekula nélkül szállító molekula segítségével diffúzió facilitált diffúzió csatorna karrier fehérjék karrier fehérjék passzív transzport energiaigény szerint aktív transzport
BIOFIZIKA I DIFFÚZIÓ, OZMÓZIS Passzív transzport : DIFFÚZIÓ az oldott anyag a koncentráció gradiensnek megfelelően mozog sebessége függ két oldal közötti koncentrációkülönbségtől, hőmérséklettől diffundáló anyag méretétől, alakjától felület méretétől távolságtól DIFFÚZIÓ BIOLÓGIAI JELENTŐSÉGE ANYAGTRANSZPORT A SEJTMEMBRÁNON KERESZTÜL hidrofób molekulák: O2, N2 kis méretű, poláris molekulák: CO2, víz, alkohol, urea, glicerin glükóz, szacharóz
BIOFIZIKA I DIFFÚZIÓ, OZMÓZIS DIFFÚZIÓ BIOLÓGIAI JELENTŐSÉGE ANYAGTRANSZPORT A SEJTMEMBRÁNON KERESZTÜL Passzív transzport : IONOK DIFFÚZIÓJA IONCSATORNÁN KERESZTÜL az oldott anyag a koncentráció- és elektromos potenciál gradiensnek megfelelően mozog elektrokémiai potenciál gradiens ioncsatorna: transzmembrán fehérjék (pórusos térszerkezet) zárt állapot: nincs transzport nyitott állapot: anyagáramlás, az ion elektrokémiai gradiensének irányába szelektivitás: az ionok töltése és mérete szerint
BIOFIZIKA I DIFFÚZIÓ, OZMÓZIS DIFFÚZIÓ BIOLÓGIAI JELENTŐSÉGE ANYAGTRANSZPORT A SEJTMEMBRÁNON KERESZTÜL Passzív transzport : FACILITÁLT DIFFÚZIÓ az oldott anyag a koncentráció gradiensnek megfelelően mozog karrierfehérjék (szállító, transzporter) az ionokat, molekulákat specifikusan kötik transzport: a karrierfehérje konformáció változásával (reverzibilis, ATP felhasználás nélkül)