FENOMENE DE FENOMENE DE TRANSPORT TRANSPORT MOLECULARMOLECULAR

INTRODUCEREINTRODUCERE Funcţionarea normală a sistemelor biologice, sisteme Funcţionarea normală a sistemelor biologice, sisteme

deschise din punct de vedere termodinamic, deschise din punct de vedere termodinamic, presupune un permanent schimb de substanţă între presupune un permanent schimb de substanţă între diversele compartimente proprii ale sistemului, dar şi diversele compartimente proprii ale sistemului, dar şi între sistem şi mediul înconjurător. între sistem şi mediul înconjurător.

Fenomenele de transport de substanţă reprezintă Fenomenele de transport de substanţă reprezintă forma cea mai concretă a interacţiei dintre sistem şi forma cea mai concretă a interacţiei dintre sistem şi mediu. mediu.

Prin transportul din afară spre interior (Prin transportul din afară spre interior (influxinflux) are ) are loc intrarea în sistem (de ex. celula) a substanţelor loc intrarea în sistem (de ex. celula) a substanţelor necesare derulării proceselor metabolice, iar prin necesare derulării proceselor metabolice, iar prin transport dinspre sistem în afară (transport dinspre sistem în afară (efluxeflux), sunt ), sunt eliminaţi produşii de catabolism sau alte tipuri de eliminaţi produşii de catabolism sau alte tipuri de compuşi (produşi de secreţie, molecule semnal etc)compuşi (produşi de secreţie, molecule semnal etc)

Fenomenul de Fenomenul de DifuziDifuziee Procesul spontan de egalare a concentraţiilor între două Procesul spontan de egalare a concentraţiilor între două

regiuni ale unei soluţii moleculare, între care se realizează regiuni ale unei soluţii moleculare, între care se realizează transportultransportul

procesul de întrepătrundere a moleculelor unei substanţe procesul de întrepătrundere a moleculelor unei substanţe printre moleculele altei substanţe, ca urmare a agitaţiei printre moleculele altei substanţe, ca urmare a agitaţiei termicetermice

FickFick a arătat că viteza de difuziune este direct a arătat că viteza de difuziune este direct proporţională cu suprafaţa prin care se produce difuziunea proporţională cu suprafaţa prin care se produce difuziunea şi cu gradientul de concentraţie:şi cu gradientul de concentraţie:

x

cDS

t

m

d

d

d

d

LEGEA I

2

2

d

d

d

d

x

cD

t

c

LEGEA a IIa

Coeficientul de difuziuneCoeficientul de difuziune cantitatea de substanţă care difuzează în unitatea de

timp prin unitatea de suprafaţă, la un gradient egal cu unitatea. D se exprimă în m2/s. Pentru apă el este 2.4·10-8 m2/s.

este de ordinul 10-5 cm2/s pentru soluţii reale, de 10-6 cm2/s pentru soluţii coloidale liofobe şi 10-7÷10-9 cm2/s pentru soluţii macromoleculare.

variază direct proporţional cu temperatura şi invers proporţional cu volumul, respectiv masa particulelor care difuzează.

pentru substanţe micromoleculare şi pentru coloizi cu formă sferică, D scade cu creşterea diametrului particulei conform relaţiei lui Einstein:

Ecuatia Einstein-Smoluchowski:

r

KTD

6

tDx 22

LLegea lui Henryegea lui Henry Difuzia gazelor în lichide Difuzia gazelor în lichide eesste cu atât mai mare cu cât te cu atât mai mare cu cât

presiuneapresiunea de deasupra a de deasupra a gazului este mai mare. gazului este mai mare. La echilibru, volumul de gaz dizolvat (v) în condiţii La echilibru, volumul de gaz dizolvat (v) în condiţii

standard (0°C, standard (0°C, 1atm) într-un volum V de lichid este 1atm) într-un volum V de lichid este dat de dat de legea lui Henrylegea lui Henry::

v = s · pv = s · pii · V · V unde unde ppii este presiunea parţială a gazului la echilibru (atm), iar este presiunea parţială a gazului la echilibru (atm), iar

ss este coeficientul de solubilitate a gazului este coeficientul de solubilitate a gazului ( (ll gaz/gaz/ll ichid·atmichid·atm)) În cazul unui amestec de gaze, cantitatea de gaz În cazul unui amestec de gaze, cantitatea de gaz

dizolvată în unitatea de volum de lichid este dizolvată în unitatea de volum de lichid este proporţională cu presiunea parproporţională cu presiunea parţială a ţială a gazul de la gazul de la suprafaţa lichidului. Astfel, în prezenţa unui lichid, suprafaţa lichidului. Astfel, în prezenţa unui lichid, fiecare gaz din amestec se dizolvă ca şi când s-ar afla fiecare gaz din amestec se dizolvă ca şi când s-ar afla singursingur

Difuzia prin membraneDifuzia prin membrane viteza de difuziune se exprimă prin viteza de difuziune se exprimă prin

relaţiarelaţia:: unde unde PP este este coeficientul de permeabilitatecoeficientul de permeabilitate

a membranei, a membranei, SpSp reprezintă suprafaţa porilor reprezintă suprafaţa porilor membranari,membranari, cc diferenţa de concentraţie de- diferenţa de concentraţie de-o parte şi de cealaltă a membranei. o parte şi de cealaltă a membranei. Coeficientul de permeabilitate se exprimă în Coeficientul de permeabilitate se exprimă în m/s m/s sau sau cm/scm/s..

Permeabilitatea membraneiPermeabilitatea membranei pentru un pentru un solvent este definită prin:solvent este definită prin:

-- coeficientul de partiţiecoeficientul de partiţie == raportul raportul dintre solubilitatea substanţei transportate în dintre solubilitatea substanţei transportate în membrană şi solubilitatea în soluţie, membrană şi solubilitatea în soluţie,

xx -- grosimea membranei, grosimea membranei, DD -- coeficientul de difuzie liberă (în lipsa coeficientul de difuzie liberă (în lipsa

membranei) membranei)

cSPt

mp

d

d

x

DP

MembraneMembrane membrană membrană = = limită de separare dintre regiunile limită de separare dintre regiunile

heterogene ale unui sistem dispers. heterogene ale unui sistem dispers. separă regiuni caracterizate de proprietăţi (concentraţie, separă regiuni caracterizate de proprietăţi (concentraţie,

potenţial electric) diferite. potenţial electric) diferite. reprezintă în general un obstacol în calea difuziei, jucând reprezintă în general un obstacol în calea difuziei, jucând

rol de mediatori ai fenomenelor de transport.rol de mediatori ai fenomenelor de transport. Clasificarea membranelor:Clasificarea membranelor:

membrana permeabilămembrana permeabilă – permite trecerea în aceeaşi – permite trecerea în aceeaşi măsură a moleculelor de solvent şi a celor de solvitmăsură a moleculelor de solvent şi a celor de solvit

membrana inegal permeabilămembrana inegal permeabilă – permite trecerea – permite trecerea solventului şi diferiţilor solviţi însă cu viteze diferite;solventului şi diferiţilor solviţi însă cu viteze diferite;

membrana selectivămembrana selectivă – membrana este permeabilă pentru – membrana este permeabilă pentru anumite molecule de solvit şi impermeabilă pentru altele;anumite molecule de solvit şi impermeabilă pentru altele;

membrana semipermeabilămembrana semipermeabilă – permeabilă pentru solvent – permeabilă pentru solvent dar impermeabilă pentru moleculele de solvit. dar impermeabilă pentru moleculele de solvit.

membrana naturalămembrana naturală (biologică) – este membrana selectiv- (biologică) – este membrana selectiv-inegal-permeabilă (impermeabilă pentru coloizi şi inegal-permeabilă (impermeabilă pentru coloizi şi macromolecule şi inegal permeabilă pentru apă şi macromolecule şi inegal permeabilă pentru apă şi cristaloizi – electroliţi)cristaloizi – electroliţi)

OsmozaOsmoza

fenomen de difuziefenomen de difuzie a moleculelor de solventa moleculelor de solvent

osmometrul

Presiunea exercitată de coloana de lichid la echilibru reprezintă presiunea exercitată de soluţie, numită presiune osmotică:

= g hunde este densitatea soluţiei,g – acceleraţia gravitaţionalăh – înălţimea coloanei de lichid

h

Legile presiunii osmoticeLegile presiunii osmotice La temperatură constantă, presiunea osmotică este direct La temperatură constantă, presiunea osmotică este direct

proporţională cu concentraţia molară a soluţiei:proporţională cu concentraţia molară a soluţiei: = = kkTT · c · c

unde unde kkTT este o constantă. este o constantă. La concentraţie molară constantă, presiunea osmotică este La concentraţie molară constantă, presiunea osmotică este

direct proporţională cu temperatura la care se face direct proporţională cu temperatura la care se face determinarea:determinarea:

= = kkCC · T · T unde unde kkCC este o constantă. este o constantă.

Când variază şi Când variază şi cc şi şi TT, presiunea osmotică este direct , presiunea osmotică este direct proporţională cu produsul lor:proporţională cu produsul lor:

= = k · c · Tk · c · T unde constanta unde constanta kk se aproximează prin se aproximează prin R =R = 8,31 kJ/kmol·K. 8,31 kJ/kmol·K. concentraţia molară, concentraţia molară, c = n/Vc = n/V

LEGEA PRESIUNII OSMOTICE – VAN’T HOFFLEGEA PRESIUNII OSMOTICE – VAN’T HOFF:: RTV

n

Legile osmozeiLegile osmozei

se aplică numai în cazul soluţiilor ideale, iar în se aplică numai în cazul soluţiilor ideale, iar în cazul soluţiilor reale numai la diluţii mari cazul soluţiilor reale numai la diluţii mari ((concentraţii miciconcentraţii mici).).

În cazul În cazul soluţiilor de electrolitsoluţiilor de electrolit, l, legea lui Van’t egea lui Van’t Hoff se modifică prin introducerea unui factor Hoff se modifică prin introducerea unui factor de corecţie (indicele de disociere de corecţie (indicele de disociere ii), dependent ), dependent de gradul de disociere (de gradul de disociere () al electrolitului:) al electrolitului:

V V = = i·n·R·Ti·n·R·T unde unde i = i = 11 + + ,, (pentru molecule care pot disocia în (pentru molecule care pot disocia în

doi ioni),doi ioni), iar iar este raportul dintre numărul de este raportul dintre numărul de molecule disociate molecule disociate şi numărul total de molecule şi numărul total de molecule dizolvatedizolvate

Relaţia lui Nernst Relaţia lui Nernst exprimă valoarea exprimă valoarea diferenţei de potenţialdiferenţei de potenţial ce ce

se stabileşte între compartimentele separate se stabileşte între compartimentele separate de membrană pentru de membrană pentru o singuro singură specie de ă specie de ioniioni::

2

1lnc

c

zF

RTE

C1 C2

Wch + Wel = 0

Echilibrul DonnanEchilibrul Donnan compartimente separate de membrane cu compartimente separate de membrane cu

permeabilitate diferită faţă de particulele dizolvate (ioni permeabilitate diferită faţă de particulele dizolvate (ioni cristaloizi sau coloidali), starea de echilibru cristaloizi sau coloidali), starea de echilibru termodinamic este atinsă atunci când, de-o parte şi de termodinamic este atinsă atunci când, de-o parte şi de cealaltă a membranei, concentraţiile ionilor dizolvaţi se cealaltă a membranei, concentraţiile ionilor dizolvaţi se găsesc în echilibru electrochimicgăsesc în echilibru electrochimic::

1 12 1

2 2

[ ] [ ]ln ln

[ ] [ ]

C ART RTE E

zF C zF A

1

2

2

1

][

][

][

][

A

A

C

CEchilibrul Donnan pentru două specii de ioni dintr-un sistem bicompartimental separat de membrană permeabilă:In general, raportul ionilor este respectat cu condiţia ca să se ţină seama de valenţa ionului, de exemplu:

1

2

2/1

22

12

2

1

][

][

][

][

][

][

Cl

Cl

Ca

Ca

Na

Na

Presiunea coloid-Presiunea coloid-osmoticăosmotică

două compartimente 1 şi 2 separate printr-o două compartimente 1 şi 2 separate printr-o membrană selectiv-semipermeabilă, care permite membrană selectiv-semipermeabilă, care permite trecerea ionilor şi apei, dar nu şi a coloizilor şi a trecerea ionilor şi apei, dar nu şi a coloizilor şi a macromoleculelor macromoleculelor

S-

Na+

Cl-

[Na+]1 = [S-]1 + [Cl-]1 şi [Na+]2 = [Cl-]2

[Na+]1 > [Cl-]1

[Cl-]1 < [Cl-]2

Rezultă: [Na+]1 > [Na+]2

1 2

Datorită prezenţei polielectrolitului disociat (anionul coloidal), o parte din ionii mici se vor comporta ca “nedifuzibili” prin membrana semipermeabilă şi vor determina apariţia unui exces de presiune osmotică pe care o denumim presiune coloid-osmotică sau oncotică

CCoeficientului de oeficientului de repartizare repartizare

In cazul unei celule cu membrană In cazul unei celule cu membrană semipermeabilă, repartizarea electrolitului semipermeabilă, repartizarea electrolitului poate fi calculata prinpoate fi calculata prin::

e

i

NaClq

NaCl

el

S

c

cq 1

întotdeauna q > 1 concentraţia electrolitului (greutate moleculară mică) din soluţia exterioară este mai mare decât concentraţia sa în soluţia interioară (unde se află anionul coloidal); electrolitul se repartizează totdeauna inegal în cazul echilibrului de membrană

• Daca cS << cel , q 1 electrolitul cristaloid se distribuie in mod egal

• Daca cS >> cel , q ∞ electrolitul cristaloid rămâne în afara celulei

CS este conc. solului (coloidul)

Cel este conc. initiala a electrolitului

Presiunea osmotica a Presiunea osmotica a plasmeiplasmei

Diferenţa dintre Diferenţa dintre presiunea osmotică presiunea osmotică din afara celulei şi din afara celulei şi interiorul acesteia interiorul acesteia = = presiune presiune oncoticăoncotică sau coloid sau coloid osmoticăosmotică

Importanţă majoră Importanţă majoră în procesele de în procesele de transport transport membranar şi membranar şi menţinerea menţinerea potenţialului de potenţialului de membranămembrană

Transportul apeiTransportul apeiDeplasarea apei este asigurată prin două tipuri de fenomene Deplasarea apei este asigurată prin două tipuri de fenomene

biofizice:biofizice: osmozaosmoza – determinată de variaţia concentraţiei particulelor – determinată de variaţia concentraţiei particulelor

osmotic active (ioni). Plasma sanguină are o presiune osmotic active (ioni). Plasma sanguină are o presiune osmotică de 7,6 atm la 37osmotică de 7,6 atm la 37C. La aceasta contribuie toate C. La aceasta contribuie toate particulele osmotic active dizolvate în plasmă, inclusiv particulele osmotic active dizolvate în plasmă, inclusiv macromoleculele. Contribuţia acestora (presiunea coloid macromoleculele. Contribuţia acestora (presiunea coloid osmotică) reprezintă numai 0,5 % adică 28 mmHg (1 atm = osmotică) reprezintă numai 0,5 % adică 28 mmHg (1 atm = 760 mmHg). Fluxul de apă va depinde de diferenţa de 760 mmHg). Fluxul de apă va depinde de diferenţa de presiune osmotică dintre compartimente, presiunea oncotică presiune osmotică dintre compartimente, presiunea oncotică (().).

ultrafiltrareultrafiltrare – determinată de presiunea efectivă din – determinată de presiunea efectivă din compartiment (vas de sânge, interstiţiu etc. La nivelul compartiment (vas de sânge, interstiţiu etc. La nivelul capilarelor, diferenţa de presiune efectivă (pcapilarelor, diferenţa de presiune efectivă (pee), la capătul ), la capătul arterial la 32 mmHg, iar la cel venos scăzând până la 12 arterial la 32 mmHg, iar la cel venos scăzând până la 12 mmHg. La aceste valori, devine extrem de importantă mmHg. La aceste valori, devine extrem de importantă influenţa presiunii oncotice (influenţa presiunii oncotice (), care rămâne constantă pe ), care rămâne constantă pe toată lungimea capilarului, determinând sensul de transport toată lungimea capilarului, determinând sensul de transport al apei prin endoteliul capilar al apei prin endoteliul capilar

Transportul apei în Transportul apei în capilarecapilare

ULTRAFILTRAREULTRAFILTRARECapCapătul arterialătul arterial

pef

pef

OSMOZA

Capătul venos

EDEMELEEDEMELE acumulare de apă în spaţiul interstiţialacumulare de apă în spaţiul interstiţial Mecanisme:Mecanisme:

creşterea presiunii de întoarcere venoasă – creşterea presiunii de întoarcere venoasă – staza cardiacăstaza cardiacă ( (edemul de insuf. cardiacăedemul de insuf. cardiacă))

scăderea presiunii oncotice prin reducerea scăderea presiunii oncotice prin reducerea concentraţiei de proteine sericeconcentraţiei de proteine serice::

edemul renaledemul renal din insuficienta renală cu din insuficienta renală cu eliminare renală de proteine sau eliminare renală de proteine sau

edemul caşecticedemul caşectic (carenţial) prin deficit sever de (carenţial) prin deficit sever de aport alimentar de proteine.aport alimentar de proteine.

Mecanisme fiziologiceMecanisme fiziologice UltraUltrafiltrarefiltrarea glomerulara renalaa glomerulara renala (fortele (fortele

STARLING)STARLING) proces dependent de presiunea hidrostatică din capilare care

depinde de presiunea arterială. În capilarul renal presiunea este aproximativ 60% din presiunea arterială, adică aproximativ 60 mmHg (pC):

pUFG = pC – pCB –

unde pC = 60 (58) mmHg, = 28 (35) mmHg este diferenţa de presiune osmotică, iar pCB = 15 (15) mmHg este presiunea hidrostatică din capsula Bowman.

Valori normale: pUFG = 17 (8) mmHg cap. aferent (cap. eferent)

Se realizează astfel un debit de urină primară de 150 – 170 l/zi. Filtrarea glomerulară este abolită la o presiune arterială mai mică de 55 mmHg.

Volumul celularVolumul celular

Menţinerea formei celulareMenţinerea formei celulare = dependentă de aportul de = dependentă de aportul de apăapă

ratatinare

Celula plasata in apa distilata

Celula plasata in sol. conc. de electrolit

umflare

hematie

Măsurarea presiunii Măsurarea presiunii osmoticeosmotice

Metoda OSMOMETRULUI – metoda directa

Metoda CRIOSCOPICA• Scaderea temperaturii de inghet a unei solutii fata de cea a solventului pur este: = tcr

pure - tfsol

unde = kcr · c ( legea RAOULT )

Metoda EBULIOSCOPICA

Metoda BIOLOGICA

1286.1

4.22

Cr

TT k

kck