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

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

29. Difusioon, Ficki difusiooniseadus. Osmoos 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.

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

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

Collanderi võrrand Ficki 1. seaduse rakendus membraanitranspordile P on permeaabluskoefitsient

Membraani permeaablus (cm/s)

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).

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

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)

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

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

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

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.

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

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

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)

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

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

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.

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

Ioonide sisaldused ekstra- ja intratsellulaarses vedelikus

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

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.

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

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

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

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

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 – 108 Ω. Membraani elektriline mahtuvus (Cm) on ~1 μF/cm2. Elusat rakku iseloomustab polariseeritud plasmamembraan, mille sisepind on välispinna suhtes negatiivselt laetud

Hodgkin-Huxley mudel (1952)

Membraani elektriline skeem

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

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.

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

Goldman-Hodgkin-Katz´i konstantse välja võrrand membraanipotentsiaali arvutamiseks