OZMÓZIS, MEMBRÁNTRANSZPORT

Biofizika I. - OZMÓZIS

04/11/2014

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) Onsager-egyenlet: J=XL ∆𝒄 Transzportfolyamatok általános leírása Az extenzív fizikai mennyiség áramsűrűsége (J) 𝑱 = −𝑫 egyenesen arányos az intenzív fizikai mennyiség (X) ∆𝒙 gradiensével.  DIFFÚZIÓS EGYÜTTHATÓ: Stokes-Einstein összefüggés 𝒌𝑻 𝑫= 𝟔𝝅𝜼𝒓  FICK II. TÖRVÉNYE (térbeli & időbeli leírás)

∆𝑐 ∆( ) ∆𝑐 = 𝐷 ∆𝑥 ∆𝑡 ∆𝑥

1


04/11/2014

AZ OZMÓZIS JELENSÉGE A KONYHÁBAN Kísérlet: tegyünk egy száraz salátalevelet vízbe

előtte

Osmosis in the k itchen.mp4

utána (3-4 óra)

Megfigyelés: a salátalevél nagyobb és újra friss lesz

AZ OZMÓZIS JELENSÉGE Kísérlet: tegyünk egy tojást kukorica szirupba, majd vízbe

VÍZ

KUKORICA SZIRUP

Megfigyelés: a tojás zsugorodni kezd előtte

Megfigyelés: az összezsugorodott tojás visszanyeri eredeti méretét, sőt egyre nagyobb lesz

utána

előtte

utána

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


04/11/2014

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

AZ OZMÓZIS JELENSÉGE 1. HATÁROLÓ FAL (ld. Fick-kísérlet) x (távolság)

folyadék→gáz

NINCS TRANSZPORT

3

04/11/2014

AZ OZMÓZIS JELENSÉGE

t (idő)


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


04/11/2014

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

anyag transzport

van: átjárhatatlan nincs

nincs szabad diffúzió korlátozott diffúzió: van: FÉLIGÁTERESZTŐ OZMÓZIS OZMÓZIS: diffúzió útján történő egyirányú anyagáramlás féligáteresztő hártya + koncentrációkülönbség (az oldott anyag minősége az ozmózis szempontjából közömbös)

5


04/11/2014

AZ OZMÓZIS JELENSÉGE cukoroldat

𝑱𝑲𝑰 ≫ 𝑱𝑩𝑬

𝑱𝑲𝑰 = 𝑱𝑩𝑬

J KI

J KI

J BE

J BE

szemipermeábilis membrán

víz

oldószer

h

𝒑𝒉 = 𝝆𝒈𝒉 oldott anyag

- koncentráció különbség az oldott anyagra nézve - féligáteresztő hártya: oldószer számára átjárható az oldott anyag számára nem

oldószer áramlik a féligáteresztő hártyán keresztül - az oldószer + oldott anyag térfogata növekszik HIDROSZTATIKUS NYOMÁS (ph) - az oldószer áramlása lassul

r: sűrűség h: folyadékoszlop magassága g = 10 m/s2

- 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 𝒑𝒉 = 𝒑ozmózis

𝒑ozmózis = 𝝆𝒈𝒉

6


04/11/2014

AZ OZMÓZIS-NYOMÁS VAN’T HOFF-TÖRVÉNY 2.

1.

𝒑ozmózis ∗ 𝑽 = 𝒏𝑹𝑻 𝒏 𝒑ozmózis = 𝑹𝑻 → 𝑽

𝒑ozmózis = 𝒄𝑹𝑻 cpiros

p1-p2=pozmózis=

pV=nRT

𝑛𝑝𝑖𝑟𝑜𝑠 𝑅𝑇 𝑉

p1=

nkék1=nkék2

𝑛𝑝𝑖𝑟𝑜𝑠+𝑛𝑘é𝑘1 𝑅𝑇 𝑉

p 2=

𝑛𝑘é𝑘2 𝑅𝑇 𝑉

𝒑ozmózis ~𝒄 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

oldószer

2

OLDOTT ANYAG 𝒄𝟏 < 𝒄𝟐 𝒑𝟏o𝐳𝐦ó𝐳𝐢𝐬 < 𝒑𝟐ozmózis oldószer + oldott anyag

7


04/11/2014

AZ OZMÓZIS-NYOMÁS

AZ OLDATOK OSZTÁLYOZÁSA AZ OZMÓZIS-NYOMÁS ALAPJÁN

HYPERTÓNIÁS nagyobb koncentráció

c > cx

nagyobb az ozmózisnyomás

p > px

IZOTÓNIÁS

HYPOTÓNIÁS

azonos koncentráció

kisebb koncentráció

c = cx

c < cx

azonos ozmózis-nyomás

kisebb az ozmózis-nyomás

p = px

p < px

emberi szervezet sejtjeinek belseje, vér:  0.87 % (0.15 M) NaCl fiziológiás sóoldat  3.8 % Na-citrát  5.5 % (0.3 M) glükóz

x: referencia

VÖRÖSVÉRTESTEK KÜLÖNBÖZŐ KÖRNYEZETBEN HYPERTÓNIÁS (töményebb: 10% NaCl)

IZOTÓNIÁS (0.87 % NaCl)

pkivül > pbelül

pkivül = pbelül

nettó vízKIáramlás

NINCS nettó vízáramlás

HYPOTÓNIÁS (hígabb: 0.01% NaCl)

pkivül < pbelül

nettó vízBEáramlás

8


04/11/2014

VÖRÖSVÉRTESTEK KÜLÖNBÖZŐ KÖRNYEZETBEN

HYPOTÓNIÁS

IZOTÓNIÁS

HYPERTÓNIÁS

Az ozmózis szerepe a növényi sejtek esetében NÖVÉNYI SEJTEK KÜLÖNBÖZŐ KÖRNYEZETBEN

HYPERTÓNIÁS

nettó víz KIáramlás PLAZMOLÍZIS a sejtplazma vizet veszít, a sejthártya elválik a sejtfaltól

IZOTÓNIÁS

NINCS nettó vízáramlás

HYPOTÓNIÁS

nettó víz BEáramlás TURGOR NYOMÁS a sejtplazma vizet vesz fel, a sejthártya nekipréselődik a sejtfalnak

9


04/11/2014

AZ OZMÓZIS ORVOSI ALKALMAZÁSAI 1. INJEKCIÓ, INFÚZIÓ  a hatóanyag, gyógyszerek fiziológiás sóoldatban vannak feloldva (izotóniás környezet /a szervezet sejtjeinek/)

2. ÖDÉMA, DUZZANATOK KEZELÉSE

vízkiáramlás

 fokozott folyadék felhalmozódás a szövetekben  dextránoldat / keserűsó (MgSO4-oldat)-alapú kezelés (hypertóniás környezetet hoz létre az ödémás területhez képest→vízkiáramlás az ödémás területről→csökken a duzzanat) hypertóniás

3. HASHAJTÓ SÓK (SZÉKREKEDÉS KEZELÉSE)

víz beáramlás  nehezen szívódnak fel a vastagbélben (hypertóniás környezetet hoznak létre a vastagbélben →vízbeáramlás a vastagbélbe →béltartalom hígulása

hypertóniás

AZ OZMÓZIS ORVOSI ALKALMAZÁSAI 4. DIALÍZIS  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=0s

t

10


04/11/2014

AZ OZMÓZIS ORVOSI ALKALMAZÁSAI 4.1. HEMODIALÍZIS

 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) Művese-berendezés működési elvének sematikus ábrája hosszú cső alakú hártya (membrán): celofán kezelés időtartama: 4-8h

fehérjebontási termékek sejtmérgek salakanyagok

dializálóoldat folyamatos cseréje ionkoncentráció, fémionszennyeződések ellenőrzése

ÖSSZEFOGLALÁS

• az ozmózis jelensége • van’t Hoff törvénye • az ozmózis-nyomás és gyakorlati jelentősége (vvt, orvosi alkalmazások)

11


04/11/2014

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


04/11/2014

Membrán-modellek Amerikai fizikai kémikus Lipid-oldékony anyagok gyorsan bejutnak a sejtbe. 1932 – Nobel díj Zsírok egyrétegű elrendeződése a víz felszínén. Benzin-lipid keverék, a benzin elpárolgása után molekuláris lipid film keletkezik Benzin-oldékony lipidek két rétegből álló filmet alkotnak víz felszínén. 1925 Kettős 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. plazmamembránnal burkoltak. „Unit-membrane”modell.

A

sejtek

1972 „Folyékony mozaik” Proteinek mozaikos 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


04/11/2014

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


04/11/2014

DIFFÚZIÓ A SEJTMEMBRÁNON KERESZTÜL EXTRACELLULÁRIS TÉR

ANYAG TRANSZPORT LIPID KETTŐSRÉTEG MEMBRÁNFEHÉRJÉK

víz apoláros molekulák ionok monoszaharidok aminosavak metabolitok

INTRACELLULÁRIS TÉR citoplazma

Szelektív anyagcsere

más mechanizmus: exocitózis és endocitózis

DIFFÚZIÓ A SEJTMEMBRÁNON KERSZTÜL

A TRANSZPORTFOLYAMATOK CSOPORTOSÍTÁSA

I. SZÁLLÍTÁSI MECHANIZMUS SZERINT KÖZVETÍTŐ NÉLKÜL

KÖZVETÍTŐ SEGÍTSÉGÉVEL

PASSZÍV DIFFÚZIÓ

FACILITÁLT DIFFÚZIÓ karrier fehérjék karrier fehérjék

ioncsatorna

1.

2.

3.

PASSZÍV TRANSZPORT

4.

AKTÍV TRANSZPORT

II. ENERGIAIGÉNY SZERINT

15


04/11/2014

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

Dm: nagyságrenddekkel kisebb lehet, mint a vizes fázisra jellemző!

 energiaigény: nincs  például:  hidrofób molekulák: O2, N2  kis méretű, poláris molekulák: CO2, víz, alkohol, urea, glicerin  glükóz, szacharóz


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


04/11/2014


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


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

OZMÓZIS, MEMBRÁNTRANSZPORT

Recommend Documents