Mozgásjeleségek mikrorendszerekben 1. Molekuláris transzportfolyamatok az élő szervezetben

Hasonló dokumentumok
BIOFIZIKA I OZMÓZIS Bugyi Beáta (PTE ÁOK Biofizikai Intézet) OZMÓZIS

OZMÓZIS. BIOFIZIKA I Október 25. Bugyi Beáta PTE ÁOK Biofizikai Intézet

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

Biofizika 1 - Diffúzió, ozmózis 10/31/2018

Orvosi Fizika 10. Biológiai membránok fizikája, diffúzió, ozmózis Dr. Nagy László

Biofizika szeminárium. Diffúzió, ozmózis

Biológiai membránok fizikája, diffúzió, ozmózis Dr. Nagy László

Fizika-Biofizika I. DIFFÚZIÓ OZMÓZIS Október 22. Vig Andrea PTE ÁOK Biofizikai Intézet

Biológiai membránok fizikája, diffúzió, ozmózis Dr. Nagy László

A diffúzió leírása az anyagmennyiség időbeli változásával A diffúzió leírása a koncentráció térbeli változásával

A gáz halmazállapot. A bemutatót összeállította: Fogarasi József, Petrik Lajos SZKI, 2011

Diffúzió 2003 március 28

SEMMELWEIS EGYETEM. Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet, Nanokémiai Kutatócsoport. Zrínyi Miklós

Transzportjelenségek

Oldatok - elegyek. Elegyek: komponensek mennyisége azonos nagyságrendű

Diffúzió. Diffúzió. Diffúzió. Különféle anyagi részecskék anyagon belüli helyváltoztatása Az anyag lehet gáznemű, folyékony vagy szilárd

Az elektromos kettősréteg. Az elektromos potenciálkülönbség eredete, értéke és az azt befolyásoló tényezők. Kolloidok stabilitása.

Oldatok - elegyek. Többkomponensű homogén (egyfázisú) rendszerek. Elegyek: komponensek mennyisége azonos nagyságrendű

Biofizika I. DIFFÚZIÓ OZMÓZIS

Transzportfolyamatok a mikroszkópikus méretskálán: Diffúzió, Brown-mozgás, ozmózis. A sejt méretskálája. Biomolekuláris rendszerek méretskálája

Reológia Mérési technikák

Hidrosztatika, Hidrodinamika

1. feladat Összesen: 8 pont. 2. feladat Összesen: 11 pont. 3. feladat Összesen: 7 pont. 4. feladat Összesen: 14 pont

Molekulák mozgásban a kémiai kinetika a környezetben

Anyagismeret 2016/17. Diffúzió. Dr. Mészáros István Diffúzió

Folyadékok és gázok mechanikája

Transzportfolyamatok

Elektromos áram. Vezetési jelenségek

Az egyensúly. Általános Kémia: Az egyensúly Slide 1 of 27

Membránszerkezet Nyugalmi membránpotenciál

Szűrés. Gyógyszertechnológiai alapműveletek. Pécsi Tudományegyetem Gyógyszertechnológia és Biofarmáciai Intézet

Membránpotenciál, akciós potenciál

Termodinamika (Hőtan)

Atomok. szilárd. elsődleges kölcsönhatás. kovalens ionos fémes. gázok, folyadékok, szilárd anyagok. ionos fémek vegyületek ötvözetek

Sejtek membránpotenciálja

ÖSSZEFOGLALÁS HŐTANI FOLYAMATOK

Kémiai reakciók sebessége

Általános kémia képletgyűjtemény. Atomszerkezet Tömegszám (A) A = Z + N Rendszám (Z) Neutronok száma (N) Mólok száma (n)

Gázok. 5-7 Kinetikus gázelmélet 5-8 Reális gázok (limitációk) Fókusz Légzsák (Air-Bag Systems) kémiája

Termodinamikai egyensúlyi potenciál (Nernst, Donnan). Diffúziós potenciál, Goldman-Hodgkin-Katz egyenlet.

Gázok. 5-7 Kinetikus gázelmélet 5-8 Reális gázok (korlátok) Fókusz: a légzsák (Air-Bag Systems) kémiája

TÖBBKOMPONENS RENDSZEREK FÁZISEGYENSÚLYAI II. Ismerjük fel, hogy többkomponens fázisegyensúlyokban a folyadék fázisnak kitüntetett szerepe van!

Szabadentalpia nyomásfüggése

Anyagvizsgálati módszerek Elektroanalitika. Anyagvizsgálati módszerek

Művelettan 3 fejezete

Atomok. szilárd. elsődleges kölcsönhatás. kovalens ionos fémes. gázok, folyadékok, szilárd anyagok. ionos fémek vegyületek ötvözetek

Az atom- olvasni. 1. ábra Az atom felépítése 1. Az atomot felépítő elemi részecskék. Proton, Jele: (p+) Neutron, Jele: (n o )

Eukariota állati sejt

Növények víz és ásványi anyag felvétele

DIFFÚZIÓ. BIOFIZIKA I Október 20. Bugyi Beáta

1. előadás. Gáztörvények. Fizika Biofizika I. 2015/2016. Kapcsolódó irodalom:

Folyadékok áramlása Folyadékok. Folyadékok mechanikája. Pascal törvénye

OZMÓZIS, MEMBRÁNTRANSZPORT. Vig Andrea PTE ÁOK Biofizikai Intézet

AZ EGYENÁRAM HATÁSAI

Folyadékok és gázok mechanikája

Az egyensúly. Általános Kémia: Az egyensúly Slide 1 of 27

Folyadékáramlás. Orvosi biofizika (szerk. Damjanovich Sándor, Fidy Judit, Szöllősi János) Medicina Könyvkiadó, Budapest, 2006

TestLine - Fizika 7. osztály Hőtan Témazáró Minta feladatsor

A szilárd testek alakja és térfogata észrevehetően csak nagy erő hatására változik meg. A testekben a részecskék egymáshoz közel vannak, kristályos

egyetemi tanár Nyugat-Magyarországi Egyetem

Diffúzió. Diffúzió sebessége: gáz > folyadék > szilárd (kötőerő)

TestLine - Fizika 7. osztály Hőtan Témazáró Minta feladatsor

Az anyagi rendszer fogalma, csoportosítása

A 27/2012. (VIII. 27.) NGM rendelet (29/2016. (VIII. 26.) NGM rendelet által módosított) szakmai és vizsgakövetelménye alapján.

Dr. Kopecskó Katalin

1. feladat Összesen: 18 pont. 2. feladat Összesen: 9 pont

Orvosi Fizika 13. Bari Ferenc egyetemi tanár SZTE ÁOK-TTIK Orvosi Fizikai és Orvosi Informatikai Intézet

Elméleti kérdések 11. osztály érettségire el ı készít ı csoport

TestLine - Fizika 7. osztály Hőtan Témazáró Minta feladatsor

TestLine - Fizika 7. osztály Hőtan Témazáró Minta feladatsor

3. Gyakorlat Áramlástani feladatok és megoldásuk

5. Az adszorpciós folyamat mennyiségi leírása a Langmuir-izoterma segítségével

Termodinamikai bevezető

1. SI mértékegységrendszer

Számítások ph-val kombinálva

Hőtan ( első rész ) Hőmérséklet, szilárd tárgyak és folyadékok hőtágulása, gázok állapotjelzői

Reakciókinetika és katalízis

Mivel foglalkozik a hőtan?

Légköri termodinamika

Rezgőmozgás. A mechanikai rezgések vizsgálata, jellemzői és dinamikai feltétele

Digitális tananyag a fizika tanításához

Természetes vizek, keverékek mindig tartalmaznak oldott anyagokat! Írd le milyen természetes vizeket ismersz!

BIOFIZIKA. Membránpotenciál és transzport. Liliom Károly. MTA TTK Enzimológiai Intézet

Hidraulika. 1.előadás A hidraulika alapjai. Szilágyi Attila, NYE, 2018.

Membránpotenciál. Nyugalmi membránpotenciál. Akciós potenciál

Fordított ozmózis. Az ozmózis. A fordított ozmózis. Idézet a Wikipédiából, a szabad lexikonból:

1) Standard hidrogénelektród készülhet sósavból vagy kénsavoldatból is. Ezt a savat 100-szorosára hígítva, mekkora ph-jú oldatot nyerünk?

1. Feladatok a termodinamika tárgyköréből

Mechanika IV.: Hidrosztatika és hidrodinamika. Vizsgatétel. Folyadékok fizikája. Folyadékok alaptulajdonságai

Allotróp módosulatok

Általános kémia vizsgakérdések

Fizika feladatok. 1. Feladatok a termodinamika tárgyköréből november 28. Hővezetés, hőterjedés sugárzással. Ideális gázok állapotegyenlete

Szívelektrofiziológiai alapjelenségek. Dr. Tóth András 2018

PHYWE Fizikai kémia és az anyagok tulajdonságai

Termodinamika. Belső energia

KÉMIA ÍRÁSBELI ÉRETTSÉGI- FELVÉTELI FELADATOK 1995 JAVÍTÁSI ÚTMUTATÓ

Alkalmazás a makrókanónikus sokaságra: A fotongáz

Elegyek. Csonka Gábor 2008 Általános Kémia: oldatok 1 dia

Általános Kémia GY 4.tantermi gyakorlat

Elektro-analitikai számítási feladatok 1. Potenciometria

Átírás:

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.

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

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.

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, 0821 - 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 0,08 300 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.

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.

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.