Ainete transport läbi bioloogiliste membraanide 2

1. Ainete transport läbi bioloogiliste membraanide 2 Andres Soosaar http://biomedicum.ut.ee/~andress

2. Kasulik materjal tutvumiseks • Chiara Portas’ Lecture notes http://www.pki.uib.no/fi/biobas/biobas-portas/biobas-portas.html

3. 29. Difusioon, Ficki difusiooniseadus. Osmoos.  Hüpo-, iso- ja hüpertoonilised lahused, rakkude käitumine nendes. 30. Membraaniga seotud bioelektrilised protsessid. Membraani elektrilised omadused. Membraani ekvivalentne elektriline skeem. Ioonid kui bioloogilise elektri materiaalne kandja. 31. Iooni tasakaalupotentsiaal, Nernsti võrrand. Gibbs-Donnani tasakaal. Membraani puhkepotentsiaal: olemus, suurus, tekkimise tingimused, Goldmanni võrrand.

4. Ficki 1. seadus dm/dt -- difundeeruva aine mass ajas D – diffusiooni koefitsient S – diffusiooni pindala d – difusiooni distants C1 ja C2 – ainete sisaldused difusiooni lähte ja lõppkohas

5. Ficki 1. seadus • Vool (flux) J on defineeritud kui aine moolide arv, mis läbib ajaühikus pinnaühikut • D on difusioonikoefitsient • C aine molaarne kontsentratsioon • x on kaugus difusiooniteel teatud lähtekohast • dC/dx on aine kontsentratsioonigradient

6. Collanderi võrrand Ficki 1. seaduse rakendus membraanitranspordile P on permeaabluskoefitsient

7. Membraani permeaablus (cm/s)

8. Osmoos • Osmoos on lahusti (vesi) difusioon läbi poolläbilaskva membraani. • Rakumembraan käitub poolläbilaskva membraanina • Osmoos põhjustab lisarõhu selles piirkonnas, kuhu lahusti hakkab liikuma. Seda lisarõhku nimetatakse osmootseks rõhuks (π).

9. Osmoos http://www.glossary.oilfield.slb.com/DisplayImage.cfm?ID=400

10. van’t Hoffi valem π on osmootne rõhk R universaalne gaasikonstant T on tempratuur Kelvini skaalas C on osmootselt aktiivse aine molaarne kontsentratsioon i on aine dissotsiatsioonil tekkivate ioonide arv (NaCl korral i=2)

11. http://www.pki.uib.no/fi/biobas/biobas-portas/img74.html

12. Lahusti transport osmoosil • Jv mahtkiirus • Lp osmootne vee permeaablus Esimese valemi korral ei läbi lahustunud aine üldse membraani Teises valemis on σ refleksioonikoefitsient, mis näitab, millisel määral on lahustunud aine permeaablusest tegelik osmootne rõhk vähenenud. σ =0…1

13. http://www.pki.uib.no/fi/biobas/biobas-portas/img78.html

14. Osmoos bioloogilistes organismides • Vereplasma osmootne rõhk 7,3-7,4 atm • 0,9% NaCl lahus on vereplasmaga isotoomiline. • Hüpotoonilises lahuses rakud paisuvad, hüpertoonilises lahuses rakud kortsuvad • Vereplasma valkude kolloidosmootne ehk onkootne rõhk on 20-30 mmHg. Onkootsel rõhul on oluline osa vee filtratsioonil kapillaarides.

15. Osmoosi mõju rakkude ruumalale http://www.pki.uib.no/fi/biobas/biobas-portas/img80.html

16. http://www.pki.uib.no/fi/biobas/biobas-portas/img116.html

17. Filtratsioon • Vedeliku liikumist kirjeldab Hagen-Poiseuille’i seadus (Q=Jv) • Vedeliku mahtkiirus filtratsioonil võrdub filtratsioonikoefitsiendi ja hüdrostaatilise rõhudiferentsi korrutisega. • Kui kaasnevad osmoosinähtused, siis määrab reaalse filtratsioonirõhu hüdrostaatilise ja osmootse rõhu resultant (vt Starlingi valem)

18. Vee filtratsioon kapillaarides • Vesi liigub vere ja intersitsiaalse ruumi vahel difusiooni ja filtratsiooni tõttu • Filtratsioonil määral vee liikumise suuna hüdrostaatilise ja onkootse rõhu vahekord filtratsioonipiirkonnas

19. Difusioonipotentsiaalid • Erineva liikuvusega ioonide liikumisel tekivad süsteemis elektrilise potentsiaalierinevused, neid kutsutakse mõnikord difusioonipotentsiaaliks.

20. Elektrodifusioon • Ioonide difusioon sõltub kontsentratsiooni- kui elektrilisest gradiendist • Iooni elektrokeemiline potentsiaal on defineeritav tööna, mis tehtud 1 mooli ioonide toomiseks standardolukorrast teatud keemilise ja elektrilise potentsiaalini.

21. Ioonitasakaal • Ioonilokalisatsioonid on tasakaalus kui nende elektrokeemilised potentsiaalid on võrdsed. • Elektrokeemiliste potentsiaalide võrdsusest on tuletatud Nernsti võrrand • Nernsti võrrandi alumine versioon on kehtiv 37° C

22. Ioonide sisaldused ekstra- ja intratsellulaarses vedelikus

23. Ioonide tasakaalupotentsiaalid EK+= - 90 mV ENa+= + 51.6 mV ECl-= - 59.2 mV Tasakaalupotentsiaali korral on iooni summarne vool 0

24. Gibbs-Donnani tasakaal 1 • Kujutlege olukorda, kus membraaniga eraldatud süsteemis on ühevalentsed ioonid C+ and A-, mis läbivad vabalt membraani ning ühel pool on anioonid R- (nt valgud), mis ei ole võimelised membraani läbima. • Sellisel juhul tekib süsteemis uus tasakaaluseisund, mida iseloomustab C+ ja A- ebaühtlane jaotumine, membraanipotentsiaal ja täiendav osmootne rõhk R- poolel. Sellist olukorda nimtatakse Gibbs-Donnani tasakaaluks.

25. Gibbs-Donnani tasakaal 2 http://www.pki.uib.no/fi/biobas/biobas-portas/img104.html

26. Gibbs-Donnani tasakaal 3 • Oluline tingimus süsteemile on selle mõlema poole elektroneutraalsus • r on Donnani koefitsient • Vm on tekkiv membraanipotentsiaal

27. Gibbs-Donnani tasakaal 4 http://www.pki.uib.no/fi/biobas/biobas-portas/img105.html

28. Gibbs-Donnani tasakaal 5 http://www.pki.uib.no/fi/biobas/biobas-portas/img102.html

29. Membraani elektrilised omadused • Lipiidne kaksikkiht on eeskätt dielektriliste omadustega, valgulised ioonkanaleid läbivad ioonid genereerivad membraani läbiva elektrivoolu • Membraani elektriline takistus (R) on harilikult ~1000 Ω/cm2, kuid võib küündida 100 000 Ω/cm2, kui enamus ioonkanaleid on suletud. Närviraku membraani kogutakistus on 107 – 108Ω. • Membraani elektriline mahtuvus (Cm) on ~1 μF/cm2. • Elusat rakku iseloomustab polariseeritud plasmamembraan, mille sisepind on välispinna suhtes negatiivselt laetud

30. Hodgkin-Huxley mudel (1952)

31. Membraani elektriline skeem

32. Ioonkanaleid läbivad elektrivoolud • gi on ioonkanali juhtivus • Ei on iooni tasakaalupotentsiaal • q on laeng • Elementaarlaeng e=1,6021892·10-19 C

33. Membraanipotentsiaali mõõtmine • Iga elaval rakul on polariseeritud plasmamembraan, st ta omab membraanipotentsiaali (Vm) • Erutuvatel rakkudel on membraanipotentsiaal -30 to -100 mV, mis tähendab, et membraani sisepind on välispinna suhtes negatiivselt laetud • Membraanipotentsiaali otseseks mõõtmiseks kasutatakse rakku viidavat klaaskapillaarelektroodi.

34. Membraanipotentsiaali säilitavad mehhanismid • Membraani suhteliselt suur läbilaskvus K+ läbi vastavate mittereguleeritavate lekkekanalite (PK:PCl:PNa=100:20:1), mistõttu Vm ja EK arvuliselt üsna lähedased • Ioonide ebaühtlane jaotus mõlemal pool membraani, rakusiseste suurte anioonide olemasolust tekkivad Gibbs-Donnani efektid • Na+-K+-pump

35. Goldman-Hodgkin-Katz´i konstantse välja võrrand membraanipotentsiaaliarvutamiseks