Wykład 1 Wprowadzenie Procesy transportowe w organizmach żywych.

Prezentacja na temat: "Wykład 1 Wprowadzenie Procesy transportowe w organizmach żywych."— Zapis prezentacji:

1 Wykład 1 Wprowadzenie Procesy transportowe w organizmach żywych

2 Wykład 1 - Wprowadzenie Dlaczego zajmujemy się procesami transportowymi w organizmach żywych? Definicja życia: 1) stan organizmu, w którym zachodzą ciągłe biochemiczne procesy przemiany materii i energii, połączone z jej wymianą z otoczeniem. Cechami życia są: rozmnażanie, wzrost, pobudliwość, dziedziczność. 2) zespół procesów życiowych – swoistych, wysoko zorganizowanych funkcjonalnie (w cykle i sieci), przemian fizycznych i reakcji chemicznych, zachodzących w otwartych termodynamicznie, wyodrębnionych z otoczenia układach fizycznych (zawierających zawsze kwasy nukleinowe i białka, według stanu współczesnej wiedzy), zbudowanych morfologicznie (o hierarchicznej strukturze), składających się z jednej lub wielu komórek (organizmach, osobnikach) oraz swoistych zjawisk biologicznych, zachodzących z udziałem tych organizmów – istniejący na Ziemi, a być może też na innych planetach. Przemiana materii i energii związana jest z procesem transportu . Procesy transportowe w organizmach żywych

3 Wykład 1 - Wprowadzenie Najmniejszą jednostką życia jest organizm. Organizmy mogą składać się z jednej lub więcej komórek. Nas będzie głównie interesował organizm człowieka Organizm ludzki składa się z komórek, tkanek i organów, które do prawidłowego funkcjonowania potrzebują ciągłego dostarczania substancji odżywczych, regulujących oraz odprowadzania produktów przemiany materii. Ciało człowieka jest swoistym automatem regulującym stężenia odpowiednich substancji w tkankach i organach. Związane jest to z istnieniem wyspecjalizowanych mechanizmów pozwalających na zmianę stężenia substancji poprzez ich transport do komórek i z nich. Procesy transportowe w organizmach żywych

4 Wykład 1 - Wprowadzenie Inżynieria chemiczna zajmuje się opisem procesów transportu : pędu , masy i energii jak również termodynamiką i kinetyką reakcji chemicznych. Posiada więc narzędzia które można wykorzystać do opisu procesów zachodzących w organizmach żywych. W przyrodzie wyróżnić można dwa podstawowe mechanizmy odpowiedzialne za transport molekuł w zdefiniowanym układzie, są to: dyfuzja i konwekcja. W układzie znajdującym się w spoczynku, w którym w różnych punktach występują różne wartości stężenia składników, zachodzi samoistny proces ruchu poszczególnych cząstek z miejsc o wyższym stężeniu do miejsc o mniejszym stężeniu. Proces ten nazywany jest dyfuzją. Procesy transportowe w organizmach żywych

5 Wykład 1 - Wprowadzenie Szybkość, z jaką dane cząstki dyfundują w układzie zależy od ich rozmiarów, kształtu, temperatury układu i lepkości płynu. Transport netto cząstek przez jednostkę powierzchni na jednostkę czasu, mierzony gęstością strumienia transportowanej masy, jest proporcjonalny do istniejącego w układzie gradientu stężenia. Relację łączącą gęstość strumienia dyfundującego składnika z gradientem jego stężenia, dla układów dwuskładnikowych, podał w 1855 r. Adolf Fick Pierwsze prawo Ficka gdzie: jAx to gęstość strumienia składnika A dyfundującego w kierunku x, CA to stężenie składnika A, DAB to współczynnik dyfuzji składnika A względem składnika B. Kluczowym zagadnieniem w określeniu szybkości transportu dyfuzyjnego jest wyznaczenie wartości współczynnika dyfuzji Dij. Dla układów dwuskładnikowych indeks i odnosi się do substancji transportowanej, a indeks j do rozpuszczalnika. Procesy transportowe w organizmach żywych

6 Wykład 1 - Wprowadzenie Wartość współczynnika dyfuzji zależy od dyfundującej substancji, jak również od własności układu, w którym proces zachodzi (gaz, ciecz, tkanka). Największą wartość współczynnik dyfuzji osiąga dla gazów, transport dyfuzyjny w cieczach jest od do razy wolniejszy. Najwolniej dyfuzja zachodzi w tkankach i błonach komórkowych: Procesy transportowe w organizmach żywych

7 Wykład 1 - Wprowadzenie równanie Ficka zapisane dla przestrzeni trójwymiarowej: W przypadku cząstek stałych zawieszonych w płynach do wyznaczenia współczynnika dyfuzji wykorzystuje się równanie Stokesa–Einsteina w postaci: kB to stała Boltzmanna, T temperatura układu, f współczynnik tarcia Dla cząstek o kształcie sferycznym, dużo większych od drogi swobodnej molekuł płynu, dla przepływów laminarnych współczynnik tarcia może być wyznaczony z zależności: Procesy transportowe w organizmach żywych

8 Wykład 1 - Wprowadzenie W przypadku cząstek stałych zawieszonych w płynach do wyznaczenia współczynnika dyfuzji wykorzystuje się równanie Stokesa–Einsteina w postaci: Dla białek trudności z wyznaczeniem f Procesy transportowe w organizmach żywych

9 Wykład 1 - Wprowadzenie Procesy transportowe w organizmach żywych

10 Wykład 1 - Wprowadzenie Konwekcja jest mechanizmem transportowym związanym z makroskopowym ruchem płynu. Płyn pod wpływem działania sił zewnętrznych (np. grawitacji, różnicy ciśnienia, siły ścinającej) zaczyna poruszać się z określoną prędkością. Ruch ten jednocześnie powoduje transport substancji rozpuszczonych w płynie. Na makroskopowy przepływ substancji rozpuszczonej nakładać się będzie równoczesny transport tej substancji na drodze dyfuzji. Jeżeli przepływ płynu będzie dużo szybszy od dyfuzji wtedy, dyfuzja może nie być brana pod uwagę w opisie procesu transportu. Właściwości fizykochemiczne płynu takie jak, lepkość i gęstość, mają duży wpływ na intensywność transportu. Dla czystych płynów, lepkość i gęstość, są termodynamicznymi funkcjami temperatury i ciśnienia układu. Stosunek lepkości dynamicznej do gęstości płynu zwany jest lepkością kinematyczną: Jednostką lepkości kinematycznej jest (m2/s). Lepkość kinematyczna jest miarą szybkości transportu pędu w płynie. Mechanizm transport pędu jest analogiczny do procesu dyfuzji. Pomimo że gazy posiadają mniejszą lepkość od cieczy, posiadają również dużo mniejszą gęstość, zatem lepkość kinematyczna gazów jest większa od lepkości kinematycznej wielu cieczy Procesy transportowe w organizmach żywych

11 Wykład 1 - Wprowadzenie Lepkość kinematyczna może być traktowana analogicznie do współczynnika dyfuzji, jako miara „rozprzestrzeniania” się pędu w płynie. Większa wartość lepkości kinematycznej gazów oznacza, że w porównaniu z cieczami ta sama wartość pędu może być transportowana na większą odległość. Procesy transportowe w organizmach żywych

12 Wykład 1 - Wprowadzenie Miarą charakteryzującą intensywność makroskopowego transportu płynu jest bezwymiarowa wielkość zwana liczbą Reynoldsa definiowana następująco: gdzie: L to charakterystyczny wymiar liniowy w układzie, v to charakterystyczna prędkość w układzie. Wartość liczby Re jest miarą stosunku szybkości transportu pędu na drodze konwekcji do transportu pędu na drodze „dyfuzji lepkościowej”. Dla ustalonych wartości charakterystycznej prędkości w układzie miara stosunku sił bezwładnościowych do sił lepkościowych zależeć będzie od skali układu. Procesy transportowe w organizmach żywych

13 Wykład 1 - Wprowadzenie Im bardziej szczegółowo rozpatrujemy budowę tym mniejsza skala wielkości 0,1 1 Procesy transportowe w organizmach żywych

14 Wykład 1 - Wprowadzenie W obrębie obszarów submikrometrycznych efektywnym procesem transportowym pozostaje dyfuzja, która w miarę zwiększania się odległości, na której następuje transport substancji ustępuje miejsca konwekcji. Związane jest to ze wzrostem czasu potrzebnego do przetransportowania substancji na daną odległość z wykorzystaniem mechanizmu dyfuzyjnego, który rośnie wraz z kwadratem odległości. Dla wymiarów związanych z organami czy całym organizmem dyfuzja jest procesem bardzo powolnym i musi być zastąpiona transportem konwekcyjnym. Intensywność dyfuzji względem konwekcji zależy zatem od lokalnych parametrów układu i może być określona poprzez wyznaczenie wartości bezwymiarowego parametru zwanego liczbą Peclet’a (Pe) określonego, jako: gdzie: v jest charakterystyczną prędkością płynu w układzie, L oznacza charakterystyczny wymiar natomiast D to współczynnik dyfuzji. Procesy transportowe w organizmach żywych

15 Wykład 1 - Wprowadzenie W organizmie ludzkim można wyodrębnić szeroki zakres odległości, na których zachodzą procesy transportowe: Dla wartości liczby Pe mniejszych od jedności dominującym mechanizmem transportowym jest dyfuzja. W przypadku bardzo dużych wartości liczby Pe dominującym mechanizmem transportu w układzie jest konwekcja Definicję liczby Pe można zapisać wykorzystując pojęcia charakterystycznego czasu dyfuzji td i charakterystycznego czasu konwekcji tk: Procesy transportowe w organizmach żywych

16 Wykład 1 - Wprowadzenie Charakterystyczny czas dyfuzji, jak i charakterystyczny czas konwekcji zmieniają się wraz ze skalą długości w układzie. W obszarach małych skal odległości dyfuzja jest procesem szybszym od konwekcji. Dla białek dyfuzja jest procesem dominującym dla skal długości porównywalnych z wymiarem komórek i mniejszym (< 10 μm) Procesy transportowe w organizmach żywych

17 Wykład 1 - Wprowadzenie Procesy transportowe w komórkach
Komórki charakteryzują się skomplikowaną strukturą wynikającą ze specjalizacji wykonywanych funkcji przez poszczególne organelle komórkowe Procesy transportowe przez błonę komórkową mogą być podzielone na transport bierny i transport czynny. Transport bierny oparty jest na procesach dyfuzji i osmozy, dla których siłami napędowymi są odpowiednio gradienty stężenia i ciśnienia. Natomiast transport czynny przebiega wbrew gradientowi stężenia, co wiąże się z nakładem energetycznym. Procesy transportowe w organizmach żywych

18 Wykład 1 - Wprowadzenie Transport bierny przez błonę komórkową
Błona komórkowa jest membraną biologiczną zbudowaną z białek i tłuszczy, oddzielającą komórkę od świata zewnętrznego. Cześć substancji przechodzi przez błonę drogą dyfuzji, której szybkość zależy od różnicy stężeń roztworów po obu stronach membrany. Na proces dyfuzji wpływ ma budowa błony komórkowej. Cząsteczki rozpuszczalne w tłuszczach (lipofilne) rozpuszczają się w dwuwarstwie lipidowej błony komórkowej i dzięki temu łatwo przenikają przez błonę komórkową: Procesy transportowe w organizmach żywych

19 Wykład 1 - Wprowadzenie Cząsteczka transportowanej substancji może również łączyć się w obrębie błony komórkowej z inną substancją zwaną nośnikiem, który po zakończeniu procesu pozostaje w błonie komórkowej, a cząsteczka wnika do cytoplazmy komórki. Przenikanie cząsteczek może odbywać się także przez tunele, zbudowane z białek transmembranowych (integralne białka błonowe), które zajmują całą szerokość dwuwarstwy lipidowej błony komórkowej Procesy transportowe w organizmach żywych

20 Wykład 1 - Wprowadzenie W przypadku, gdy membrana oddzielająca dwa roztwory jest bardziej przepuszczalna dla molekuł wody niż substancji rozpuszczonej, nastąpi transport wody przez membranę na drodze dyfuzji od roztworu bardziej rozcieńczonego (zawierającego więcej molekuł wody) do roztworu mniej rozcieńczonego Procesy transportowe w organizmach żywych

21 Wykład 1 - Wprowadzenie Siłą napędową tego procesu jest różnica ciśnienia osmotycznego po obu stronach membrany. Ciśnienie osmotyczne, wywołane różnicą potencjałów chemicznych między dwoma roztworami oddzielonymi membraną przepuszczalną tylko dla rozpuszczalnika, dla roztworów nieelektrolitów o dużym rozcieńczeniu można określić z równania van`t Hoffa: gdzie: π – ciśnienie osmotyczne, CM – stężenie molowe, R – stała gazowa, T –temperatura układu Na skutek pojawienia się strumienia osmotycznego w układzie wytworzy się różnica ciśnienia ΔP Procesy transportowe w organizmach żywych

22 Wykład 1 - Wprowadzenie Gęstość strumienia osmotycznego przez membranę może być wyznaczona z zależności: gdzie: A o wymiarze (mol/(m2··s·Pa)) jest współczynnikiem permeacji rozpuszczalnika przez membranę. Procesy transportowe w organizmach żywych

23 Wykład 1 - Wprowadzenie W zależności od rodzaju roztworu, w którym zanurzona jest komórka, transport wody może przebiegać w różnym kierunku. W roztworach hipertonicznych (mała zawartość wody, duże stężania substancji rozpuszczonych) komórki tracą wodę (plazmoliza) i kurczą się, co w skrajnym przypadku prowadzić może do śmierci (A). W roztworach hipotonicznych (duża zawartość wody, niskie stężenia substancji rozpuszczonych) komórki chłonąc wodę zwiększają swoją objętość, co doprowadzić może do rozerwania błony komórkowej (C). W roztworach izotonicznych komórki tracą tyle wody ile wchłaniają, pozostając w osmotycznej równowadze dynamicznej (B) Procesy transportowe w organizmach żywych