fizjologia_kolos_1.doc

Zjawisko dyfuzji polega na przemieszczaniu się cząsteczek z obszaru o wyższej ich koncentracji (ilości cząsteczek przypadającej na jednostkę objętości) do obszaru o niższej koncentracji. Proces ten prowadzi do wyrównywania koncentracji (w roztworach - stężeń) cząsteczek. Przyczyną występowania dyfuzji jest chaotyczny, termiczny ruch cząsteczek. Jeśli w danym obszarze znajduje się więcej cząsteczek aniżeli w jego otoczeniu, to przy chaotycznym ruchu większa ich ilość opuszcza ten obszar aniżeli do niego wchodzi. Wypadkową ilość cząsteczek (n) przechodzących przez jednostkę powierzchni (S) w jednostce czasu (t) nazywamy strumieniem dyfuzyjnym.

(1)
JD = n/St

Zgodnie z prawem Ficka wielkość strumienia dyfuzyjnego jest wprost proporcjonalna do gradientu stężenia dyfundującej substancji. W przypadku jednowymiarowym (dyfuzja zachodzi wzdłuż prostej) gradient stężenia jest równy ilorazowi różnicy stężeń (dc) pomiędzy dwoma punktami i odległości między nimi (dx).

(2)
JD = -D dc/dx

Współczynnik proporcjonalności (D) w równaniu (2) nazywany jest współczynnikiem dyfuzji danej substancji. Zależy on od rodzaju dyfundującej substancji, rodzaju ośrodka w którym zachodzi dyfuzja oraz od temperatury.
Jeśli cząsteczki posiadają wypadkowy ładunek elektryczny (są jonami) to o ich rozmieszczeniu w roztworze będzie decydowała nie tylko dyfuzja lecz również ruch pod wpływem pola elektrycznego. Wędrówkę jonów pod wpływem pola elektrycznego nazywamy migracją. Dzięki oddziaływaniu cząsteczek ze środowiskiem prędkość migracji jest stała i zależy przede wszystkim od takich czynników jak ładunek jonów, natężenie pola elektrycznego oraz temperatura. W przypadku jednowymiarowym migracyjny strumień jonów opisany jest następującym równaniem:

(3)
Jmig = (DczF/RT) dV/dx

gdzie D jest współczynnikiem dyfuzji, c - stężeniem jonów, z - ilością ładunków elementarnych przenoszonych przez jeden jon, F - stałą Faraday'a, dV/dx - gradientem potencjału elektrycznego (natężeniem pola).
Gdy w rozpatrywanym układzie występuje zarówno różnica stężeń jonów jak i różnica potencjałów elektrycznych to wówczas strumień jonów będzie "złożeniem" procesu dyfuzji i migracji. Mówimy wtedy o występowaniu strumienia elektrodyfuzyjnego.
Szczególna sytuacja ma miejsce, gdy pole elektryczne działa na jony w kierunku przeciwnym do kierunku strumienia dyfuzyjnego. Wpływa ono wówczas hamująco na ruch jonów i możliwa jest sytuacja w której pole elektryczne zablokuje strumień dyfuzyjny. Będziemy mieli wówczas do czynienia z tzw. równowagą Nernsta. Wartość napięcia przy którym dochodzi do równowagi wyliczyć można z warunku równości strumieni: dyfuzyjnego (2) i migracyjnego (3).

Antyport jest formą transportu aktywnego przez błony biologiczne, w którym przemieszczenie jednego metabolitu do wnętrza określonego przedziału zachodzi równocześnie z usuwaniem drugiego metabolitu z tego przedziału. Przykładem antyportu jest pompa sodowo-potasowa.

Pompa sodowo-potasowa, inna często używana nazwa to Na+/K+ ATP-aza to ważny enzym uczestniczący w aktywnym transporcie kationów sodu i potasu. Ma on podstawowe znaczenie dla każdego rodzaju komórek żywych, utrzymując potencjał błonowy i objętość komórki. Za badania nad tą cząsteczką Jens C. Skou otrzymał nagrodę Nobla z chemii w 1997 r.Pompa sodowo-potasowa składa się z dwóch rodzajów podjednostek: α (112kDa) i β (35kDa) tworzących w błonie komórkowej tetramer α 2β 2. Miejsce wiązania ATP znajduje się na podjednostce α. Na tej podjednostce, na powierzchni skierowanej do środowiska zewnątrzkomórkowego, znajdują się również miejsca wiązania dla steroidów kardiotonicznych (np.: digitoksygenina), które hamują aktywność pompy przez blokowanie defosforylacji.Hydroliza ATP jest siłą napędową tego enzymu, potrzebną do pompowania jonów sodu i potasu:
ATP-aza jest fosforylowana przez ATP w obecności jonów sodu i magnezu. Do podjednostki α, która jest związana z ATP wiązane są trzy jony sodu. Następnie ATP ulega hydrolizie, a zmiana konformacji białka pozwala na przetransportowanie jonów sodu na zewnątrz komórki, gdzie jony zostają uwolnione z kompleksu. Następuje tu związanie dwóch jonów potasu, a następnie defosforylacja - wywołująca ponowną zmianę konformacji, pozwalającą na przeniesienie jonów potasu do wnętrza komórki. Tu uwolnienie jonów następuje po przyłączeniu cząsteczki ATP.Fosforylacja zależna od Na+ i defosforylacja zależna od K+ są krytycznymi reakcjami enzymu. Cykl enzymatyczny trwa 10 ms. Pojedyncza ATP-aza kosztem hydrolizy jednej cząsteczki ATP transportuje, przy maksymalnej prędkości 100 obrotów na s, w ciagu sekundy 300 jonów Na+ i 200 jonów K+. Gradient sodowo-potasowy wytwarzany dzięki enzymatycznej aktywności Na+/K+-ATP-azy: — kontroluje w objętość komórki; - pobudzenie nerwów i mięśni; - jest siłą napędową transportu aktywnego cukrów oraz aminokwasó

Symport to jeden z rodzajów transportu zachodzących wewnątrz organizmów żywych, podczas którego przez jedno białko transportowane są dwie cząsteczki jednocześnie (w tym samym kierunku).

Równanie Nernsta - podstawowa zależność elektrochemiczna wyrażająca potencjał elektrody jednoselektywnej (E) względem jej potencjału standardowego (E0). Postać równania ogólna:

lub dla temperatury 298 K i rozcieńczonych roztworów:

gdzie:

·         R - stała gazowa równa 8.314570 J K-1 mol-1

·         T - temperatura wyrażona w kelwinach

·         z - liczba elektronów wymienianych w reakcji połówkowej

·         a - chemiczna aktywność substancji biorących udział w reakcji elektrodowej

·         F – stała Faradaya równa 96485 C mol-1

·         [red] – stężenie molowe formy zredukowanej

·         [ox] – stężenie molowe formy utlenionej

Potencjał chemiczny jest pochodną cząstkową energii wewnętrznej po liczbie cząstek, przy zachowanej objętości i entropii układu. Oznaczamy go przez μ. Może być również definiowany jako pochodna cząstkowa innej funkcji stanu: entalpii, energii swobodnej czy entalpii swobodnej po ilości cząstek, przy czym pochodna jest obliczona przy zachowanych innych parametrach: ciśnieniu czy też temperaturze.W temperaturze bliskiej zeru potencjał chemiczny dla fermionów utożsamiamy z tzw. energią Fermiego. Jest to energia graniczna; stany o energii niższej są zajęte przez fermiony (np. elektrony), stany o energii wyższej są wolne.

Osmoza - dyfuzja cząsteczek rozpuszczalnika, np. wody przez membranę półprzepuszczalną, np. błonę komórkową oddzielającą dwa roztwory różniące się potencjałami chemicznymi. Różnica potencjałów chemicznych wynika z różnicy składu (stężenia) roztworów. Jeżeli pomiędzy takimi roztworami istnieje różnica potencjałów chemicznych, pojawia się wówczas proprocjonalne do niej tzw. ciśnienie osmotyczne, π, które wymusza przepływ cząsteczek przez membranę a czasami może spowodować jej zniszczenie (np. błona komórkowa może zostać rozerwana gdy komórka umieszczona jest w czystej wodzie: błona komórkowa nie przepuszcza jonów soli na zewnątrz, a więc jedyną możliwość wyrównania potencjałów chemicznych jest rozcieńczenie zawartości komórki do poziomu otaczającego ośrodka poprzez "pompowanie" do komórki cząsteczek wody).

Odwrócona osmoza to przepływ cząsteczek rozpuszczalnika od roztworu o wysokim stężeniu do roztworu o niższym stężeniu spowodowany przyłożeniem do cieczy o wysokim stężeniu ciśnienia większego niż ciśnienie osmotyczne. Odwrócona osmoza jest podstawą jednej z najlepszych metod odsalania wody morskiej.

Roztwór hipertoniczny - roztwór, którego stężenie jest wyższe niż stężenie soku komórkowego.

Roztwór hipotoniczny - roztwór, który posiada mniejsze ciśnienie osmotyczne od innego roztworu.Aby roztwór posiadał tę cechę musi mieć mniejsze stężenie związków chemicznych, które są zdolne do przechodzenia przez błonę półprzepuszczalną, przez którą kontaktuje się z innym roztworem. Pojęcie to jest zazwyczaj stosowane w biologii i medycynie. Komórki i tkanki umieszczone w wodnym roztworze hipotonicznym wchłaniają wodę i nabierają objętości. W medycynie podawanie kroplówki z płynu hipotonicznego jest stosowane w szybkim zapobieganiu i leczeniu odwodnienia organizmu.

Turgor to stan uwodnienia komórki. Zależy od napięcia błon komórek roślinnych spowodowanego wewnętrznym ciśnieniem soku komórkowego na ściany komórki.

Ciśnienie osmotyczne jest wartością ciśnienia wywieranego na półprzepuszczalną membranę przez 2 ciecze które ta membrana rozdziela. Przyczyną pojawienia się ciśnienia osmotycznego jest różnica stężeń związków chemicznych lub jonów w roztworach po obu stronach membrany i dążenie układu do ich wyrównania.

Kontaktujące się roztwory mają termodynamiczną tendencję do wyrównywania stężeń (np. przez dyfuzję cząsteczek rozpuszczonych związków). W przypadku membrany półprzepuszczalnej, która przepuszcza małe cząsteczki rozpuszczalnika a nie przepuszcza jonów ani większych cząsteczek, jedynym sposobem wyrównania stężenia roztworów jest przepływ przez membranę cząsteczek rozpuszczalnika. W najprostszym przypadku, dla roztworów silnie rozcieńczonych, ciśnienie osmotyczne (a właściwie różnicę ciśnień) na granicy roztworów "1" i "2" można wyrazić prostym wzorem:

gdzie π12 = ciśnienie osmotyczne, R = stała gazowa, T = temperatura (w skali Kelwina), [X]1, [X]2 = stężenie związku chemicznego lub jonów wyrażone w molach/dm3, w roztworach po obu stronach membrany.

Warto zwrócić uwagę, że:

·         wzór ten ma sens fizyczny tylko wtedy gdy [X]1 > [X]2 - gdyż ciśnienie osmotyczne jest wywierane na membranę zawsze tylko z jednej strony - od strony bardziej stężonego roztworu. Po drugiej stronie membrany ciśnienie osmotyczne wynosi 0 i nie przyjmuje bynajmniej wartości ujemnej. W przypadku gdy przez membranę może przepływać tylko rozpuszczalnik, wzór ten trzeba "odwrócić" lub ew. wpisać do niego stężenie rozpuszczalnika, a nie stężenie rozpuszczonej substancji.

·         gdy przez membranę przepływa kilka różnych związków chemicznych, każdy z nich generuje niezależnie od siebie cząstkowe ciśnienie osmotyczne, sumaryczne ciśnienie wywierane na membranę jest wypadkową ciśnień cząstkowych.

Pomiar ciśnienia osmotycznego możliwy jest np. poprzez pomiar ciśnienia wymaganego do zatrzymania przepływu rozpuszczalnika przez membranę. Dalsze zwiększanie przyłożonego ciśnienia prowadzi do zaistnienia procesu odwróconej osmozy, czyli przepływu cząsteczek rozpuszczalnika od roztworu o wysokim stężeniu do roztworu o niższym stężeniu.

Równanie van't Hoffa

Dla roztworu o stężeniu [X] w kontakcie z poprzez membranę z czystym rozpuszczalnikiem, ciśnienie ...