OZMÓZIS, MEMBRÁNTRANSZPORT Vig Andrea PTE ÁOK Biofizikai Intézet 2014.10.28. 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
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
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
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
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
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
AZ OZMÓZIS-NYOMÁS VAN T HOFF-TÖRVÉNY p ozmózis V = nrt p ozmózis = n V RT p ozmózis = crt c piros 1. 2. 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
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
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
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
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
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
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. 1972 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 http://www.youtube.com/watch?v=zp3i5q9xftk http://www.youtube.com/watch?v=oq4um1ov4ag 13
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
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 1. 2. 3. 4. PASSZÍV TRANSZPORT II. ENERGIAIGÉNY SZERINT AKTÍV TRANSZPORT 15
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
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