Biofizika I. DIFFÚZIÓ – OZMÓZIS - Biofizikai Intézet
Biofizika I. DIFFÚZIÓ – OZMÓZIS - Biofizikai Intézet
Biofizika I. DIFFÚZIÓ – OZMÓZIS - Biofizikai Intézet
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
<strong>Biofizika</strong> I. 05/09/2012<br />
2012. szeptember 5.<br />
Dr. Bugyi Beáta<br />
PTE ÁOK <strong>–</strong> <strong>Biofizika</strong>i <strong>Intézet</strong><br />
<strong>Biofizika</strong> I.<br />
<strong>DIFFÚZIÓ</strong> <strong>–</strong> <strong>OZMÓZIS</strong><br />
<strong>DIFFÚZIÓ</strong> <strong>–</strong> 1. KÍSÉRLET <strong>Biofizika</strong> I. - <strong>DIFFÚZIÓ</strong><br />
1. kísérlet: cseppentsünk tintát egy üveg vízbe<br />
1. megfigyelés: a folt lassan szétterjed és megfesti az egész folyadékot<br />
<strong>DIFFÚZIÓ</strong> <strong>–</strong> 2. KÍSÉRLET <strong>Biofizika</strong> I. - <strong>DIFFÚZIÓ</strong> <strong>Biofizika</strong> I. - <strong>DIFFÚZIÓ</strong><br />
2. kísérlet: cseppentsünk tintát MELEG és HIDEG vízbe<br />
2. megfigyelés: a folt gyorsabban terjed szét a meleg vízben, mint a hidegben<br />
A <strong>DIFFÚZIÓ</strong> BIOLÓGIAI JELENTİSÉGE<br />
biológia rendszerek mikroszkópikus anyagtranszport folyamatai<br />
az anyagok sejtmembránon keresztül történı áthaladása<br />
alapvetı anyagcsere-folyamatok<br />
vér és a tüdı közötti gázcsere<br />
ingerületi folyamatok<br />
gyógyszerek felszívódása<br />
kémiai reakciók<br />
<strong>Biofizika</strong> I. - <strong>DIFFÚZIÓ</strong><br />
<strong>DIFFÚZIÓ</strong> A MINDENNAPJAINKBAN<br />
a biológia rendszerekben a részecskék többsége állandó mozgásban van<br />
folyadék fázis <strong>–</strong> víz (az emberi szervezet tömegének 50 <strong>–</strong> 60 %-át víz alkotja)<br />
lipid fázis - sejtmembrán<br />
Brown-mozgás<br />
Robert Brown (skót botanikus, 1827)<br />
A RÉSZECSKÉK MOZGÁSA<br />
<strong>Biofizika</strong> I. - <strong>DIFFÚZIÓ</strong><br />
kísérlet: pollenszuszpenzió mikroszkópos vizsgálata<br />
megfigyelés: virágporszemcsék szabálytalan, zegzugos mozgást végeznek<br />
magyarázat: ?<br />
1
<strong>Biofizika</strong> I. 05/09/2012<br />
A RÉSZECSKÉK MOZGÁSA <strong>Biofizika</strong> I. - <strong>DIFFÚZIÓ</strong><br />
BROWN-MOZGÁS<br />
A RÉSZECSKÉK MOZGÁSA <strong>Biofizika</strong> I. - <strong>DIFFÚZIÓ</strong><br />
BROWN-MOZGÁS<br />
MAKROSZKÓPIKUS KÉP MIKROSZKÓPIKUS KÉP<br />
a részecske és a közeg molekulái folyamatosan ütköznek egymással<br />
részecskék rendezetlen mozgása<br />
függ a hımérséklettıl (T): hımozgás<br />
á 1<br />
2 ̅ 3<br />
2 ~<br />
A <strong>DIFFÚZIÓ</strong> LEÍRÁSA<br />
Mitıl függ a diffúzió „erıssége”?<br />
kinetikus gázelmélet <strong>–</strong> ideális gáz modell<br />
<strong>Biofizika</strong> I. - <strong>DIFFÚZIÓ</strong><br />
A RÉSZECSKÉK MOZGÁSA <strong>Biofizika</strong> I. - <strong>DIFFÚZIÓ</strong><br />
EGY RÉSZECSKE BROWN-MOZGÁSA 3D-BEN<br />
<strong>DIFFÚZIÓ</strong><br />
<strong>Biofizika</strong> I. - <strong>DIFFÚZIÓ</strong><br />
a részecskék egyenletlen (inhomogén) eloszlásának<br />
következtében<br />
a részecskék transzportja* valósul meg a magasabb<br />
koncentrációjú<br />
régiók felé<br />
régiók felıl az alacsonyabb koncentrációjú<br />
amíg a részecskék egyenletes eloszlást (homogén) nem<br />
mutatnak<br />
* Brown-mozgás<br />
t = 0 s<br />
t<br />
t = ∞<br />
<strong>DIFFÚZIÓ</strong><br />
A <strong>DIFFÚZIÓ</strong> TÉRBELI LEÍRÁSA <strong>–</strong> FICK I. TÖRVÉNYE<br />
Az egyszerőség kedvéért vizsgálódjunk 1D-ban (x tengely mentén):<br />
x<br />
<strong>Biofizika</strong> I. - <strong>DIFFÚZIÓ</strong><br />
inhomogén<br />
eloszlás<br />
<strong>DIFFÚZIÓ</strong><br />
homogén<br />
eloszlás<br />
2
<strong>Biofizika</strong> I. 05/09/2012<br />
A <strong>DIFFÚZIÓ</strong> TÉRBELI LEÍRÁSA <strong>–</strong> FICK I. TÖRVÉNYE<br />
<br />
<br />
<br />
∆ ∆<br />
A <strong>DIFFÚZIÓ</strong> TÉRBELI LEÍRÁSA <strong>–</strong> FICK I. TÖRVÉNYE<br />
átáramlott anyag mennyisége<br />
<br />
eltelt idő<br />
∆<br />
átáramlott anyag mennyisége<br />
<br />
eltelt idő<br />
<br />
∆<br />
∆<br />
∆<br />
anyagáram erősség<br />
<br />
felület<br />
anyagáram erősség ∆<br />
<br />
felület<br />
∆ ∆∆<br />
∆<br />
<br />
∆ ∆∆<br />
<br />
<strong>Biofizika</strong> I. - <strong>DIFFÚZIÓ</strong><br />
a koncentráció (c) változása az x tengely<br />
mentén<br />
KONCENTRÁCIÓ GRADIENS (hajtóerı)<br />
a koncentráció különbség (∆c) és a távolság<br />
(∆x) hányadosa két pont között<br />
az egyszerőség kedvéért:<br />
a koncentráció lineárisan változik<br />
<br />
ANYAGÁRAM-ERİSSÉG: I v (egység: mol/s)<br />
függ a felület (A) nagyságától<br />
ANYAGÁRAM-SŐRŐSÉG: J (egység: mol/m 2 s)<br />
független a felület (A) nagyságától<br />
∆ ∆<br />
állandó<br />
∆ ∆<br />
ANYAGÁRAM-SŐRŐSÉG<br />
egységnyi idı alatt egységnyi felületen hány mólnyi anyag jut keresztül<br />
≈<br />
<strong>DIFFÚZIÓ</strong> „ERİSSÉGE”<br />
A <strong>DIFFÚZIÓ</strong>S EGYÜTTHATÓ<br />
A <strong>DIFFÚZIÓ</strong> TÉRBELI LEÍRÁSA <strong>–</strong> FICK I. TÖRVÉNYE<br />
∆ ∆<br />
∆ ∆<br />
∆ ∆<br />
<strong>Biofizika</strong> I. - <strong>DIFFÚZIÓ</strong><br />
<strong>Biofizika</strong> I. - <strong>DIFFÚZIÓ</strong><br />
a diffundáló részecske mobilitását jellemzi - ‘milyen gyorsan’ diffundál<br />
jele: D<br />
mértékegysége: m 2 s -1<br />
számértéke megadja egységnyi koncentrációkülönbség esetén az<br />
egységnyi keresztmetszeten egységnyi idı alatt átáramló anyag<br />
mennyiségét<br />
függ mind a részecske, mind pedig a közeg sajátságaitól<br />
<br />
∆ ∆ ∆ ∆<br />
∆ ∆<br />
A <strong>DIFFÚZIÓ</strong> TÉRBELI LEÍRÁSA <strong>–</strong> FICK I. TÖRVÉNYE<br />
diffúzió révén<br />
az A felületen<br />
(áramlás irányára merıleges)<br />
∆t idı alatt<br />
∆n anyagmennyiség (mól)<br />
vándorol át<br />
Transzportfolyamatok általános leírása: Onsanger-féle lineáris összefüggés<br />
az extenzív mennyiség (anyagmennyiség) áramsőrősége<br />
egyenesen arányos<br />
az intenzív mennyiség (koncentráció) gradiensével<br />
<strong>Biofizika</strong> I. - <strong>DIFFÚZIÓ</strong><br />
FICK I. TÖRVÉNYE<br />
az anyagáram-sőrőség <br />
egyenesen arányos<br />
a koncentrációeséssel ∆<br />
∆ <br />
! negatív elıjel: a részecskék a magasabb koncentrációjú régió felıl az<br />
alacsonyabb koncentrációjú hely felé mozognak (diffundálnak)<br />
! D: <strong>DIFFÚZIÓ</strong>S EGYÜTTHATÓ<br />
A <strong>DIFFÚZIÓ</strong>S EGYÜTTHATÓ<br />
∆<br />
<br />
∆<br />
∆<br />
∆<br />
<strong>Biofizika</strong> I. - <strong>DIFFÚZIÓ</strong><br />
Gömbszimmetrikus (r: sugár) részecskék diffúziójára η viszkozitású közegben T hımérsékleten:<br />
<br />
∗<br />
6 6 <br />
<br />
∗<br />
6 6 <br />
STOKES-EINSTEIN ÖSSZEFÜGGÉS<br />
<strong>Biofizika</strong> I. - <strong>DIFFÚZIÓ</strong><br />
hımérséklet (T)<br />
a diffúzió gyorsabb magasabb hımérsékleten: gyorsabb hımozgás<br />
a részecske geometriája /alakja (r)<br />
kicsi/globuláris részecske gyorsabban diffundál mint a nagy/fibriláris részecske<br />
a részecske moláris tömege (M)<br />
a nehezebb részecskék lassabban diffundálnak, mint a könnyebb részecskék<br />
a közeg viszkozitása (η)<br />
a diffúzió gyorsabb alacsonyabb viszkozitású közegekben, mint a magasabb viszkozitású<br />
közegekben<br />
gázok > folyadékok<br />
k: Boltzmann állandó k = 1.38 10 −23 joule/kelvin<br />
3
<strong>Biofizika</strong> I. 05/09/2012<br />
A <strong>DIFFÚZIÓ</strong>S EGYÜTTHATÓ<br />
diffundáló részecske közeg<br />
[D] = m 2 s -1<br />
T = 20 o C<br />
H 2 (2) levegı 6.4 ∙10 -5<br />
O 2 (32) levegı 2 ∙10 -5<br />
O 2 (32) víz 1.9 ∙ 10 -9<br />
aminosav:<br />
glicin<br />
MW: 75 Da<br />
globuláris fehérje:<br />
szérum albumin<br />
MW: 69 000 Da<br />
60 x 96 x 60 Å<br />
fibriláris fehérje:<br />
tropomiozin<br />
MW: 93 000 Da<br />
l = 40 Å<br />
dohány mozaik vírus<br />
MW: 40 000 000 Da<br />
l = 300 Å d = 150 Å<br />
víz 0.9 ∙10 -9<br />
víz 6 ∙10 -11<br />
víz 2.2 ∙10 -11<br />
víz 4.6 ∙10 -12<br />
1. példa: <strong>DIFFÚZIÓ</strong> A SEJTMEMBRÁNON KERESZTÜL<br />
EXTRACELLULÁRIS<br />
TÉR<br />
INTRACELLULÁRIS TÉR<br />
citoplazma<br />
<strong>Biofizika</strong> I. - <strong>DIFFÚZIÓ</strong><br />
x3<br />
x10000<br />
x100<br />
x3<br />
GYORSABB <strong>DIFFÚZIÓ</strong><br />
<strong>Biofizika</strong> I. - <strong>DIFFÚZIÓ</strong><br />
ANYAG<br />
TRANSZPORT<br />
LIPID KETTİSRÉTEG<br />
MEMBRÁNFEHÉRJÉK<br />
víz<br />
apoláros molekulák<br />
ionok<br />
monoszaharidok<br />
aminosavak<br />
metabolitok<br />
más mechanizmus: exocitózis és endocitózis<br />
<strong>DIFFÚZIÓ</strong> A SEJTMEMBRÁNON KERSZTÜL <strong>Biofizika</strong> I. - <strong>DIFFÚZIÓ</strong><br />
1. PASSZÍV <strong>DIFFÚZIÓ</strong><br />
Passzív transzport<br />
Közvetítı nélkül<br />
iránya: ELEKTROKÉMIAI POTENCIÁL GRADIENS irányába<br />
kémia potenciál gradiens (koncentráció)<br />
elektromos potenciál gradiens (töltés)<br />
diffúzió sebessége: Fick törvények<br />
közvetítı: nincs<br />
energiaigény: nincs<br />
például:<br />
hidrofób molekulák: O 2, N 2<br />
kis mérető, poláris molekulák: CO 2, víz, alkohol, urea, glicerin<br />
glükóz, szacharóz<br />
MI HIÁNYZIK MÉG?<br />
<strong>Biofizika</strong> I. - <strong>DIFFÚZIÓ</strong><br />
koncentráció különbség (hajtóerı) diffúzió (anyagáram) egyenletes eloszlás (egyensúly)<br />
megvizsgáltuk a diffúziót a koncentráció térbeli változásának (c(x))<br />
figyelembe vételével<br />
FICK I. TÖRVÉNYE (térbeli leírás)<br />
…azonban nem vettük figyelembe a koncentráció idıtıl való<br />
függését (c(x, t))!<br />
FICK II. TÖRVÉNYE (térbeli & idıbeli leírás)<br />
<strong>DIFFÚZIÓ</strong> A SEJTMEMBRÁNON KERSZTÜL <strong>Biofizika</strong> I. - <strong>DIFFÚZIÓ</strong><br />
A TRANSZPORTFOLYAMATOK CSOPORTOSÍTÁSA<br />
I. SZÁLLÍTÁSI MECHANIZMUS SZERINT<br />
KÖZVETÍTİ NÉLKÜL KÖZVETÍTİ SEGÍTSÉGÉVEL<br />
PASSZÍV <strong>DIFFÚZIÓ</strong><br />
FACILITÁLT <strong>DIFFÚZIÓ</strong><br />
ioncsatorna karrier fehérjék karrier fehérjék<br />
1. 2. 3. 4.<br />
PASSZÍV TRANSZPORT AKTÍV TRANSZPORT<br />
II. ENERGIAIGÉNY SZERINT<br />
<strong>DIFFÚZIÓ</strong> A SEJTMEMBRÁNON KERSZTÜL <strong>Biofizika</strong> I. - <strong>DIFFÚZIÓ</strong><br />
2. FACILITÁLT <strong>DIFFÚZIÓ</strong><br />
Passzív transzport<br />
Közvetítı segítségével: IONCSATORNÁN KERESZTÜL<br />
iránya: kémiai vagy elektrokémiai potenciál gradiens irányába<br />
diffúzió sebessége: gyorsabb, mint a Fick törvények által meghatározott<br />
közvetítı: IONCSATORNA-FEHÉRJE<br />
transzmembrán fehérjék (pórusos térszerkezet)<br />
zárt / nyitott állapot: nincs transzport / transzport<br />
nyitott/zárt állapot szabályozása:<br />
mechanoszenzitív (mechanikai hatás: nyújtás, nyomás)<br />
feszültségfüggı (a membrán két oldala közötti feszültségkülönbség ld: akciós<br />
potenciál)<br />
receptor-, vagy ligandvezérelt<br />
szelektivitás: az ionok töltése és mérete szerint<br />
energiaigény: nincs<br />
4
<strong>Biofizika</strong> I. 05/09/2012<br />
<strong>DIFFÚZIÓ</strong> A SEJTMEMBRÁNON KERSZTÜL <strong>Biofizika</strong> I. - <strong>DIFFÚZIÓ</strong><br />
3. FACILITÁLT <strong>DIFFÚZIÓ</strong><br />
Passzív transzport<br />
Közvetítı segítségével: KARRIER FEHÉRJÉK<br />
iránya kémiai vagy elektrokémiai potenciál gradiens irányába<br />
diffúzió sebessége: gyorsabb, mint a Fick törvények által meghatározott<br />
közvetítı: KARRIER-FEHÉRJE (szállító, transzporter)<br />
az ionokat, molekulákat specifikusan kötik<br />
elısegítik annak a membránon való átjutását<br />
energiaigény: nincs<br />
ÁTTEKINTÉS <strong>–</strong> a legfontosabb fogalmak<br />
<strong>Biofizika</strong> I. - <strong>DIFFÚZIÓ</strong><br />
Vizsgakérdés:<br />
Brown-mozgás<br />
A diffúzió jelensége<br />
Fick I. törvénye (térbeli leírás)<br />
Diffúziós együttható, Einstein-Stokes összefüggés<br />
Diffúzió a sejtmembránon keresztül: passzív, aktív és facilitált diffúzió<br />
Tudni kell róla:<br />
Fick II. törvénye (térbeli & idıbeli leírás)<br />
<strong>DIFFÚZIÓ</strong> A SEJTMEMBRÁNON KERSZTÜL <strong>Biofizika</strong> I. - <strong>DIFFÚZIÓ</strong><br />
4. FACILITÁLT <strong>DIFFÚZIÓ</strong><br />
Aktív transzport<br />
Közvetítı segítségével: KARRIER FEHÉRJÉK<br />
iránya: kémiai, vagy elektrokémiai potenciál gradienssel ELLENKEZİ irány<br />
! ENERGIABEFEKTETÉS<br />
közvetítı: TRANSZPORTER<br />
uniporter<br />
szimporter/antiporter<br />
energiaigény: van<br />
ATPáz transzporter (ATP hidrolízise)<br />
foto transzporter (fény energiája)<br />
csatolt transzporter (másik transzport energiája)<br />
például: Na+-K+ pumpa<br />
uniporter szimporter antiporter<br />
5
![Microsoft PowerPoint - Intermedier filamentumok [Kompatibilis m\363d]](https://img.yumpu.com/17119137/1/190x135/microsoft-powerpoint-intermedier-filamentumok-kompatibilis-m363d.jpg?quality=85)
Change language