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확산 , Diffusion

확산 , Diffusion. - 농도경사 (concentration gradient, dc/dx) 에 의한 물질 이동 . - downhill transport : 농도차이가 없어진 상태에서 평형 . Fick 의 법칙. J = -DA(dc/dx) J: mole/sec, Flow ( cf . Flux: 단위시간 , 단위면적당 이동한 입자수 ) dc/dx: 확산이 일어나는 물질의 농도 경사 A: 확산면적 D: 확산 계수 (diffusion coefficient), cm 2 /sec

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확산 , Diffusion

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Presentation Transcript

  1. 확산, Diffusion -농도경사 (concentration gradient, dc/dx)에 의한 물질 이동. - downhill transport : 농도차이가 없어진 상태에서 평형.

  2. Fick의 법칙 • J = -DA(dc/dx) J: mole/sec, Flow (cf. Flux: 단위시간, 단위면적당 이동한 입자수) dc/dx: 확산이 일어나는 물질의 농도 경사 A: 확산면적 D: 확산 계수(diffusion coefficient), cm2/sec -분자 크기가 크고, 용액의 점성이 클수록 작아짐. -1cm2의 면적을 통하여 1mole/cm3/cm의 농도 경사가 있을 때 1초 동안 확산되는 분자의 몰수. • 확산거리: s(t) = 2Dt -- 시간의 제곱근에 비례; 거리가 짧을수록 빠른 확산 • (*교과서 표 1-1) • 생명체의 지혜: 확산을 용이하게 하기 위한 장치. - 표면적 증가: 소장과 신장의 미세융모, 폐포 - 확산거리 단축: 세포 크기 제한, 모세혈관의 분포

  3. 세포막을 통한 확산 J = DmAm(Com-Cim/Xm) = DmAmK(Co-Ci)/Xm; K(partition coefficient)= Cm/Cwater = PAm(Co-Ci) ; P(permeability coefficient)=DmK/Xm Xm Co Co Com Com Ci Ci Cim Cim Low lipid solubility High lipid solubility Lipid solubility: -OH 기 하나에 의해 1/1000로 감소 -CH2 하나에 의해 10배 증가

  4. K+ K+ K+ K+ K+ K+ K+ K+ K+ K+ K+ K+ K+ K+ 세포막을 통한 이온의 이동: Selective permeability Cl- Cl- Cl- Cl- Cl- Cl- Cl- Cl- Cl- Cl- K+ K+ Cl- Cl- Cl- Cl- Q=CV C=1mF/cm2으로 일정. Em이 형성되는 데 필요한 전하량 Q를 계산할 수 있음.

  5. Electrochemical Equilibrium • Electrical potential : zFE • Chemical potential : RT ln[X] z: 원자가 F: Faraday constant R: gas constant T: 절대온도 Electrochemical potential for ion X+ Wi = RT ln [X]i + zEiF Wo = RT ln[X]o + zEoF At equilibrium, Wi = Wo RT ln [X]i + zEiF = RT ln[X]o + zEoF Em = Ei - Eo = (RT/zF)ln [X]o / [X]i Nernst equation 투과성 양이온의 농도가 높은 쪽이 negative가 됨

  6. 세포내외의 이온 농도 In Out K+ Na+ Ca2+ Cl- HCO3- Pr- PO4-3 155 12 <0.0002 4 8 64 90 5 145 2 110 27 15 2 (in mM) If membrane is selectively permeable to K+ , Em = 61 log (5/155) = 61 x (–1.493) = -91 mV If membrane is selectively permeable to Na+ Em = 61 log (145/12) = 61 x 1.08 = +66 mV 실제 막전압 -60 ~ -90 mV

  7. Gibbs Donnan Equilibrium 세포 안에 투과성이 없는 Pr-이 있고 다른 이온들은 자유로 투과한다면, 어떤 상태에서 평형이 이루어질까? equilibrium In Out In Out K+ Pr- K+ Cl- K+ Cl- - a K+ Pr- + a - a a Cl- : a Et equilibrium, 1) 각 구분내는 전기적 중성: [K]o = [Cl]o, [K]i = [Cl]i + [Pr]i 2) 투과성 이온은 전기화학적 평형에 이름: 따라서 [K]o/[K]i = [Cl]i/[Cl]o 결과적으로 - 비투과성 이온이 있는 세포내의 투과성 양이온 농도가 세포밖보다 높아지고, - 세포내 전압이 negative로 되며, - 세포내 이온 농도의 합이 밖보다 높아짐. Donnan ratio: [Cl]i/[Cl]o

  8. Donnan ratio and Donnan potential equilibrium In Out In Out K+ Cl- K+ Cl- - a K+ Pr- + a K+ Pr- - a a Cl- : a • If [K]i=[Pr]i = x ; [K]o =[Cl]o = y at initial state, and permeable ions shift • to achieve electrochemical equilibrium, • the concentraion of each ions at equilibrium can be calculated as follows: • Let the concentration change be “a”. • At Donnan equilibrium, • [K]o/[K]i = [Cl]i/[Cl]o, • (y- a)/(x+a) = a / (y- a) • = y2/(x+2y) • Donnan ratio = [Cl]i/[Cl]o = y/(x+y) • If x=y, Donnan ratio is 0.5, Donnan potential is –17.5 mV

  9. 세포막을 통한 물의 이동: 삼투 <Water channel> • 물의 이동 1. lipid bilayer 통과: 속도 느림 2. Water channel: aquaporin 1 in RBC, renal proximal tubule; aquaporin 2 in renal collecting duct and regulated by ADH. • Driving force 1. 정수압이 높은 곳에서 낮은 곳으로: filtration 2. 농도 경사: 용질 농도가 낮은 곳에서 높은 곳으로: osmosis Semipermeable membrane hydrostatic osmotic • Osmotic pressure : p= RT C : van’t Hoff 식

  10. 삼투압, 삼투질 농도 • Osmotic pressure : p= RT C : van’t Hoff 식 • concentration과 activity의 차이 교정: activity coefficient, g • 막의 투과 정도 보정: reflection coefficient, s (전혀 통과 못 할 때 1; 자유통과: 0) Effective osmotic pressure: p= s RT gC • Osmolarity, Osm : 1 Osm – 22.4 기압의 삼투압을 나타낼 때의 용질 농도 - 비전해질의 경우는 몰농도 = 삼투질 농도 - 전해질의 경우 해리된 이온수와 해리안된 용질 수를 합한 농도: 해리상수가 1이라면 1 M NaCl은 2 Osm. - isosmotic: 동일 삼투질 농도 (hyposmotic/hyperosmotic) • Tonicity - isotonic (등장성); 세포 volume에 변화 없는 농도 - 삼투질 농도는 동일하더라도 (isosmotic) 용질이 세포막에 대해 투과성이 있으면 유효 삼투압은 작아짐-- 물 이동으로 세포부피 증가– hypotonic (저장성)

  11. Double Donnan Equilibrium 3 1 2 Na+ Pr- Pr- K+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Cl- Cl- K+ K+ K+ K+ Cl- K+ Cl- Cl- Cl- -20 mV 4 K+ Na+ Pr- K+ Cl- Na+ 세포내 삼투압증가로 인한 물 유입 Cl- K+ -90 mV survive Cell lysis

  12. 500 ms Concentration gradient generated by ATP is used: • To make electrical signal : Na+ channel, Ca2+ channel • Secondary active transport (Na-cotransport): glucose, amino acids Na+ Pr- K+ Na+ Cl- Cl- K+ -90 mV Na+ K+ Transient opening of Na channel Cl- Na+ Cl- +50 mV Depolarization Pr- K+ Action Potential

  13. Na-pump: Na-K ATPase • Use ATP hydrolysis to generate the primary ion gradients across the plasma membrane : 세포가 사용하는 에너지의 20 –45% • 3분자의 Na을 퍼내며, 2분자의 K 유입: electrogenic • 포화현상을 보임: Km for [Na]i = 20 mM Km for [K]o = 2 mM • 세포대사 억제제 CN, DNP에 의해 억제됨 • Ouabain에 의해 억제

  14. Na pump의 역할 • Double Donnan Equilibrium: 세포내 impermeable anion의 존재로 인해 세포내 삼투질 농도가 높아짐으로써 물의 유입이 생김. 세포외에 투과성이 낮은 Na 이온 농도를 높게 유지함으로써 이를 막고 삼투적 평형을 유지시킴. • 이온분포의 유지: 막전압 발생에 가장 큰 역할을 하는 것은 이온분포의 불균형으로 인해 생기는 이온의 확산전압인데, 불균형한 이온 분포를 형성하고 유지하는 데에 기여. • Electrogenecity: Na pump는 Na과 K를 3:2로 교환하므로 net로는 양이온 하나가 배출되는 효과가 있어 outward current를 발생하여 막전압을 hyperpolarization시키는 효과가 있음. 그 크기는 diffusion potential에 비하여 작아 3 mV 정도.

  15. Primary Active Transporters, Pumps: transduce chemical energy into transmembrane concentration gradients • P-type ATPase family : E1E2 ATPase • - Na+/K+ ATPase • - Ca2+ ATPase: SERCA, PMCA • - H+K+ -ATPase • F0F1 family • - F0F1 : ATP synthesis using H+ gradient in mitochondria • - V0V1 : ATP-driven H+ pumping – vacuolar ATPase

  16. Ca2+ homeostasis 3Na+/Ca2+ exchanger (NCX) 4Na+/Ca2+/K+ exchanger (NCKX) Acid-base balance Na+/H+ exchanger (NHE-1) Cl-/HCO3- exchanger(Band 3) Na+/sugar Na+/amino acids Na+/K+/2Cl- Concentration gradient generated by ATP is used: Antiporters (exchangers) • To make electrical signal : Na+ channel, Ca2+ channel • Secondary active transport: use Na-gradient for up-hill transport of other substances Cotransporters

  17. Facilitated Diffusion • 포도당이나 아미노산: 지방용해도로 예측한 속도보다 빠르게 세포막 통과. • 운반체가 low resistance pathway 만듦: carrier-mediated diffusion • 농도경사에 반하여 운반하지는 못함: downhill transport. • 특징: • Saturation kinetics • Substrate specificity • Competition : 구조가 비슷한 물질 사이에 competitive inhibition. • 대사억제제에 의해서는 영향을 받지 않으나 단백질 합성 억제제에 의해서 억제됨.

  18. Kinetics of carrier-mediated transport Vmax So + C SC Si + C Michaelis-Menten 식에 의하면, V = Vmax[S]/(Km + [S]) Km = [S][C]/[SC] Km은 V가 1/2Vmax일 때의 [S]를 나타내므로 1/ Km은 기질의 carrier에 대한 affinity를 나타냄. 양변을 역수로 취하면, Lineweaver-Burk plot: 1/V = (Km / Vmax)(1/[S]) + 1/ Vmax y-절편: 1/Vmax – competitive inhibition에서 불변 x-절편: -1/Km Km

  19. 적혈구막을 통한 glucose 이동 GLUT1: RBC GLUT2: hepatocytes, basolateral membrane of epithelum GLUT3: neurons GLUT4: insulin-dependent; muscle and adipose tissue GLUT5: fructose transporter

  20. Insulin signalling pathway in an adipose cell GLUT4 Insulin signalling stimulate fusion of vesicles carrying the glucose transporter, GLUT4, with the plasma membrane

  21. Na-cotransport • - Na pump에 의해 만들어진 농도 경사를 이용한 능동운반: secondary active • carrier mediated transport의 특성: saturation, specificity, competetion • 대사억제제에 의해 억제됨; 농도경사에 반하여 운반됨. • 세포밖 Na+ 농도에 크게 좌우됨: Na 농도 증가에 따라 Vmax에는 변화 없이 • Km감소 (교과서 그림 1-11). • 종류: Na+/sugar cotransport (SGLT1): 소장 상피세포, 신장 세뇨관 • Na+/amino acid cotransport : 신경말단에서 GABA의 재흡수 • Na+/K+/2Cl- : 신장, 소장, 폐상피세포

  22. Na+/Ca2+ Exchangers: NCX vs NCKX Intracellular Extracellular 3Na+(145) Na+ (5) NCX Ca2+ (2) Ca2+ (0.0001) 4Na+ Na+ NCKX K+ (145) K+ (5) Ca2+ Ca2+ Keep intracellular Ca2+ low

  23. Na+/Ca2+ exchange VOCC Na+ PMCA Ca2+ Ca2+ + CaBP SERCA ER Mitochondria Membrane topology of NCX Ca2+ Clearance Mechanisms : keep intracellular Ca2+ low

  24. Epithelial transports • Exchange • Secretion • Absorption trans-epithelial transport가 방향성을 가지기 위해서는; 1) tight junction 2) polarized membrane : basolateral/apical membrane이 서로 다른 transporter 가짐

  25. 장 상피세포에서의 포도당 흡수

  26. Secretory epithelium 위산의 분비 Bicarbonate secretion

  27. 신 세뇨관 Proximal tublule에서의 Na 흡수 Henle’s loop 상행각에서의 Na 흡수

  28. Body Fluid Compartment • 세포내액 • : 신체총수분량의 2/3 • 세포외액 • - 간질액 : 1/4 • - 혈장 : 1/12 모세혈관을 통한 물질이동 세포막을 통한 물질이동

  29. 모세혈관을 통한 물질이동 혈장단백질 • 모세혈관벽: • - endothelial cell 단층 으로 구성되어 있음. • 뇌를 제외한 대부분의 조직에서는 세포사이에 간격이 있어 크기가 작은 물질의 이동이 자유로움. (뇌: tight junction으로 blood-brain barrier) • 혈장내: • 분자량 70,000 이상인 혈장단백질은 모세혈관벽을 통과 못하므로 삼투압 발생 --- colloid osmotic pressure (oncotic pressure): +16 mmHg • -이온의 분포: Gibbs-Donnan 분포에 의한 Donnan excess 발생: +9 mmHg

  30. Starling의 가설 • 모세혈관에서의 용액 이동의 원동력: 정수압과 삼투압 • 동맥단: 정수압 > 삼투압: 여과 • 정맥단: 정수압 < 삼투압: 흡수 양쪽이 균형을 이룰 때, 간질액과 혈장이 일정한 volume유지됨.

  31. Endocytosis and Exocytosis

  32. Current model of synaptic vesicle exocytosis

  33. Clathrin-mediated synaptic vesicle recycling

  34. Double Donnan Equilibrium 3 1 2 Na+ Pr- Pr- K+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Cl- Cl- K+ K+ K+ K+ Cl- K+ Cl- Cl- Cl- -20 mV 4 K+ Na+ Pr- K+ Cl- Na+ 세포내 삼투압증가로 인한 물 유입 Cl- K+ -90 mV survive Cell lysis

  35. Donnan ratio and Donnan potential equilibrium In Out In Out K+ Cl- K+ Cl- - a K+ Pr- + a K+ Pr- - a a Cl- : a • If [K]i=[Pr]i = x ; [K]o =[Cl]o = y at initial state, and permeable ions shift • to achieve electrochemical equilibrium, • the concentraion of each ions at equilibrium can be calculated as follows: • Let the concnetration change be “a”. • At Donnan equilibrium, • [K]o/[K]i = [Cl]i/[Cl]o, • (y- a)/(x- a) = a / (y- a) • = y2/(x+2y) • Donnan ratio = [Cl]i/[Cl]o = y/(x+y) • If x=y, Donnan ratio is 0.5, Donnan potential is –17.5 mV

  36. 참고도서 • 생리학 (성호경, 김기환 편, 1996) • Cell Biology (Pollard TD & Earnshaw WC, 2002) • Human Physiology (Silverthorn DU, 2001; Human Physiology (Silverthorn DU, 2001; http://cwx.prenhall.com/bookbind/pubbooks/silverthorn2에서 instructors image folders로 가면 그림 볼 수 있음)

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