Διαπερατότητα βιολογικών μεμβρανών Σωτήρης Ζαρογιάννης Επίκ. Καθηγητής Φυσιολογίας Εργαστήριο Φυσιολογίας Τμήμα Ιατρικής Π.Θ. Βιοφυσική Μεμβρανών Πέμπτη 19 Νοεμβρίου 2015
Διαμεμβρανική μεταφορά διαλυμένων ουσιών και ύδατος Διαμεμβρανική κίνηση ιόντων και μορίων Διάχυση Διαμεσολαβούμενη μεταφορά Διευκολυνόμενη διάχυση Πρωτογενής ενεργός μεταφορά Δευτερογενής ενεργός μεταφορά Ενδοκυττάρωση εξωκυττάρωση Επιθηλιακή μεταφορά
Διάχυση
Διάχυση
Ενταση και φορά διάχυσης
Ενταση και φορά διάχυσης Νόμος διάχυσης του Fick J = - DA(ΔC/Δx) J= καθαρός ρυθμός διάχυσης D = συντελεστής διάχυσης Α = επιφάνεια διάχυσης ΔC/Δx = κλίση συγκέντρωσης * Το μείον υποδηλώνει κατεύθυνση διάχυσης (ψηλή προς χαμηλή συγκέντρωση άρα αρνητικό)
Διάχυση μέσω μεμβρανών
Επίδραση ηλεκτρικών δυνάμεων στην κίνηση των ιόντων Η κατεύθυνση και η ένταση της ροής ενός ιόντος μέσω της μεμβράνης δεν εξαρτάται μόνο από τη διαφορά συγκεντρώσεων του ιόντος αλλά και από τη διαφορά ηλεκτρικών φορτίων εκατέρωθεν της μεμβράνης. Οι δύο αυτές δυνάμεις καλούνται συλλογικά: ηλεκτροχημικό πρανές ή ηλεκτροχημική κλίση
Δυναμικό Μεμβράνης (Νευρικό κύτταρο) E Na = + 60 Νa + Νa + 3Νa + 2Κ + - ICF - - + + + + - Voltage (mv) 0 K + K + - 70mV E Rest = - 70 Δίαυλοι Διαρροής Κ + Χημικό Πρανές Ηλεκτρικό Πρανές Δίαυλοι Εισρροής Να + E K = - 90 ECF
Διάχυση μέσω της λιπιδικής διπλοστιβάδας Οι σταθερές διαπερατότητας των διαφόρων μορίων σχετίζονται με τη μοριακή τους δομή Τα πιο πολικά μόρια διαχέονται πολύ αργά ή καθόλου μέσω της κυτταρικής μεμβράνης και έχουν πολύ μικρή σταθερά διαπερατότητας Τα μη πολικά μόρια διαχέονται πολύ γρήγορα και έχουν μεγάλη σταθερά διαπερατότητας
Ιοντικοί Δίαυλοι
Ρύθμιση της διάχυσης μέσω ιοντικών διαύλων
Διαμεσολαβούμενη Μεταφορά
Διάχυση - Διαμεσολαβούμενη μεταφορά
Συστήματα διαμεσολαβούμενης μεταφοράς
Πρωτογενής ενεργός μεταφορά 1. Αντλία νατρίου- καλίου 2. Αντλία ασβεστίου 3. Αντλία υδρογόνου 4. Αντλία υδρογόνου- καλίου
ΑΝΤΛΙΑ ΝΑΤΡΙΟΥ ΚΑΛΙΟΥ 1. ATP-δέσµευση «Ε1- ATP» κατάσταση 2. Δέσµευση Na+ «E1- ATP-3Na+» 3. Περιορισµένη «E1- P-3Na+» κατάσταση 4. Μη περιορισµένη «E2- P-3Na+» κατάσταση 5. Κενή«E2-P» κατάσταση 6. Δέσµευση «E2-P-2Κ+» κατάσταση 7. Περιορισµένη «E2-2Κ +» κατάσταση 8. Μη περιορισµένη «E2- ATP-2Κ+» κατάσταση 9. Δέσµευση ATP «E1- ATP» κατάσταση
Δευτερογενής ενεργός μεταφορά
Σύνοψη
ΚΥΡΙΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΩΝ ΟΔΩΝ ΔΙΑΜΕΜΒΡΑΝΙΚΗΣ ΚΙΝΗΣΗΣ ΟΥΣΙΩΝ ΔΙΑΧΥΣΗ ΔΙΑΜΕΣΟΛΑΒΟΥΜΕΝΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑ Μέσω της λιπιδικής στιβάδας Μέσω πρωτεϊνικών διαύλων Διευκολυνόµενη διάχυση Πρωτογενής ενεργός µεταφορά Δευτερογενής ενεργός µεταφορά Κατεύθυνση καθαρής ροής Από την υψηλή προς τη χαµηλή συγκέντρωση Από την υψηλή προς τη χαµηλή συγκέντρωση Από την υψηλή προς τη χαµηλή συγκέντρωση Από τη χαµηλή προς την υψηλή συγκέντρωση Από τη χαµηλή προς την υψηλή συγκέντρωση Ισορροπία C O = C i C O = C i C O = C i C O # C i C O # C i Διαµεσολάβηση µεµβρανικών πρωτεϊνών Όχι Ναι Ναι Ναι Ναι Κορεσµός Όχι Όχι Ναι Ναι Ναι Χηµική εξειδίκευση Χρήση και πηγή ενέργειας Παραδείγµατα ουσιών Όχι Ναι Ναι Ναι Ναι Όχι Όχι Όχι Ναι /ATP Ναι κλίση ιόντων Μη πολικά: Ο 2, CO 2, λιπαρά οξέα Ιόντα: Na + K + Πολικά: γλυκόζη Ιόντα: Na + K + Ca 2+ Ca 2+ Η + Πολικά: αµινοξέα, γλυκόζη, ιόντα
Ενδοκυττάρωση εξωκυττάρωση
Εξωκυττάρωση - Ενδοκυττάρωση
Ενδοκυττάρωση με μεσολάβηση υποδοχέα
Ενδοκυττάρωση LDL με μεσολάβηση υποδοχέα
Εξωκυττάρωση
Μεμβρανική μεταφορά
Μεμβρανική μεταφορά
Συνδέσεις κυττάρων
Επιθηλιακή μεταφορά
Επιθηλιακή μεταφορά
Επιθηλιακή μεταφορά
Ωσμωση
Ωσμωση ΩΣΜΩΣΗ: καθαρή διάχυση νερού από την πλευρά της μεμβράνης με την υψηλή συγκέντρωση προς την πλευρά με τη χαμηλή συγκέντρωση 1mol γλυκόζης= 1 Osm διαλυμένων ουσιών 1mol NaCl= 2 Osm διαλυμένων ουσιών 1mol MgCl 2 = 3 Osm διαλυμένων ουσιών ΩΣΜΩΜΟΡΙΑΚΟΤΗΤΑ: η συνολική συγκέντρωση σωματιδίων μιας διαλυμένης ουσίας ανά όγκο διαλύματος Ενα διάλυμα γλυκόζης 1Μ έχει συγκέντρωση 1 Osm 1 osm = 1 mol διαλυμένων σωματιδίων ΩΣΜΩΓΡΑΜΜΟΡΙΑΚΟΤΗΤΑ: η ποσότητα ωσμωτικά ενεργών σωματιδίων ανά kgr διαλύτη ΩΣΜΩΤΙΚΗ ΠΙΕΣΗ: το εύρος της πίεσης που απαιτείται για να αναστείλλει την όσμωση τελείως (εξαρτάται από τον αριθμό των σωματιδίων στο διάλυμα)
Ωσμωση
Ωσμωμοριακότητας διαλύματος ΙΣΟ- ΩΣΜΩΤΙΚΟ είναι το διάλυμα που περιέχει 300 mosm/l διαλυμένων ουσιών, ανεξαρτήτως από την κατανομή τους σε διερχόμενες και μη ΥΠΕΡ- ΩΣΜΩΤΙΚΟ είναι το διάλυμα που περιέχει διαλυμένες ουσίες σε συγκέντρωση > 300 mosm/l, ανεξαρτήτως από την κατανομή τους σε διερχόμενες και μη ΥΠΟ- ΩΣΜΩΤΙΚΟ είναι το διάλυμα που περιέχει διαλυμένες ουσίες σε συγκέντρωση < 300 mosm/l, ανεξαρτήτως από την κατανομή τους σε διερχόμενες και μη
Τονικότητα διαλύματος ΙΣΟΤΟΝΙΚΟ είναι το διάλυμα που περιέχει 300 mosm/l μη διερχόμενων ουσιών, ανεξαρτήτως της συγκέντρωσης των μεμβρανοπερατών ουσιών ΥΠΕΡΤΟΝΙΚΟ είναι το διάλυμα που περιέχει μη περατές ουσίες σε συγκέντρωση > 300 mosm/l, ανεξαρτήτως της συγκέντρωσης που μπορεί να έχουν οι υπάρχουσες διερχόμενες ουσίες ΥΠΟΤΟΝΙΚΟ είναι το διάλυμα που περιέχει μη διερχόμενες ουσίες σε συγκέντρωση < 300 mosm/l, ανεξαρτήτως της συγκέντρωσης που μπορεί να έχουν οι υπάρχουσες διερχόμενες ουσίες Η τονικότητα ενός διαλύματος καθορίζεται από τη συγκέντρωση των μη περατών ουσιών και όχι από τη συνολική οσμωμοριακότητα όλων των ουσιών. Οι διερχόμενες ουσίες δεν επηρεάζουν την τονικότητα ενός διαλύματος.
Εξωκυττάρια ωσμωμοριακότητα και κυτταρικός όγκος
Τονικότητα και ωσμωμοριακότητα ενός διαλύματος Διάλυμα όγκου 1 L που περιέχει 300 mosm (μη περατού) NaCl και 100 mosm ουρίας (που μπορεί να περάσει την κυτταρική μεμβράνη) έχει συνολική ωσμωμοριακότητα 400 mosm υπερωσμωτικό ισοτονικό Ενα υποωσμωτικό διάλυμα είναι ταυτόχρονα και υποτονικό Ενα υπερωσμωτικό διάλυμα μπορεί να είναι υπερτονικό, ισοτονικό ή υποτονικό