Portál:Otázky z biochemie (1. LF UK, VL, ÚLB)/Difuze, osmóza, osmotický a onkotický tlak, dialýza, příklady z biochemie

Difuze

Difuze je samovolný proces pronikání částic jedné látky do druhé se snahou o rovnoměrné prostoupení do celého objemu.

Základní popis

Difuze nastává z důvodu neuspořádaného tepelného pohybu částic. Pohyb částic je v zásadě náhodný, ale látky mají tendenci přecházet z prostředí o vyšší koncentraci do prostředí s nižší koncentrací. Přirozenou vlastností látek je, že pokud se její částice mohou pohybovat, tak se rozptylují do celého prostoru, a postupně ve všech jeho částech vyrovnají koncentraci. Říkáme, že látky difundují. Během difuze se nespotřebovává energie.

Difuze

Rychlost šíření částic je ovlivněna velikostí částic, teplotou i vlastnostmi prostředí. Matematicky popisují difuzi Fickovy zákony.

Difuze je děj spontánní, nevratný a tepelně aktivovaný. Tuto skutečnost objasňuje Einsteinova-Stokesova rovnice, která popisuje závislost difuzního koeficientu na teplotě T, dynamické viskozitě kapaliny η a velikosti difundujících částic R.

Difuze umožňuje pohyb látek uvnitř buněk a tím látkovou výměnu. V živých organismech hrají významnou roli další faktory, např. elektrický náboj částic nebo transport přes polopropustné membrány.

Rozdělení

1. Prostá difuze
2. Facilitovaná difuze
3. Difuze iontovými kanály
   • Akvaporiny

Specifickým případem difuze je osmóza

Difuze v různých skupenstvích

Plynné prostředí

V plynném prostředí dochází k mnohem rychlejší difuzi, než v jiném prostředí. Částice plynu mají nejvyšší kinetickou energii. Příkladem tohoto procesu je velmi rychlé rozšíření vůně po celé místnosti.

Kapalné prostředí

Částice kapalné látky mají nižší kinetickou energii, než částice plynu. Z toho důvodu v ní dochází k pomalejší difuzi, než je tomu u plynu. Příkladem je uvolňování látek z čajového sáčku po jeho zalití horkou vodou.

Pevná látka

Difuze v pevném skupenství je obtížnější, časově náročná a je jediným možným způsobem přenosu látky. Záleží však také na druhu materiálu. Příkladem je spojení dvou měděných drátků cínem.

Difuze v biologických systémech

Přestup látek skrz polopropustnou membránu

Difuze je jedním z nejzákladnějších jevů odehrávajících se v živých organismech. Pro transport látek přes buněčnou membránu je v lidském těle využitelná difuze plynná a kapalná.

Pro organismy je nezbytně nutné stálé složení tělních tekutin. Jedním z nejdůležitějších faktorů pro udržení homeostázy, je transport přes membránu. Buněčná membrána je selektivně permeabilní (semipermeabilní) bariéra. Jejím úkolem je zachování osmotické a iontové rovnováhy mezi intracelulárním a extracelulárním prostředím. Buněčná membrána funguje jako bariéra, která reguluje průchod částic mezi intra- a extracelulárním prostředí. Nejsnáze pronikají membránou malé nepolární molekuly jako je kyslík a oxid uhličitý, které se velmi dobře rozpouštějí, a proto velmi rychle difundují. Tato rychlá difuze je důležitá pro výměnu plynů v alveolech a tkáních. Lipofilní látky prostupují přes fosfolipidovou dvojvrstvu membrány přímo. Rychlost difuze je přímo úměrná jejich rozpustnosti v tucích.

Elektroneutrální polární molekuly, pokud jsou dostatečné malé (např. voda) poměrně snadno difundují (ne vždy procesem prosté difuze). Hydrofilní látky (např. voda a ionty) jsou v lipidovém prostředí biologické membrány nerozpustné, proto mohou difundovat pouze pomocí transmembránových přenašečů zabudovaných do membrány. To má samozřejmě význam v možnosti regulace vstupu těchto látek.

Příklady difuze v organismu

Difuze patří k jednomu z nejdůležitějších fyzikálních dějů, které umožňují pohyb látek uvnitř organismu.

Jedním z velmi důležitých dějů je vznik akčního potenciálu. Ten je způsobený přestupem iontů přes buněčnou membránu.

 Podrobnější informace naleznete na stránce Klidový membránový potenciál.

 Podrobnější informace naleznete na stránce Akční potenciál (fyziologie).

Dalším příkladem si můžeme uvést nutnost podávání pacientovi izotonického roztoku (roztok s totožnou koncentrací jako krevní plazma). V případě podání čisté vody by došlo k difuzi vody do lidských buněk, které by se zvětšovaly a přílišným prodlužováním expozice by mohly prasknout. Naopak při dodání pacientovi příliš koncentrovaného roztoku by došlo k vysávání vody z buněk - to by vedlo ke scvrkávání buněk. Pokud by byla doba expozice dlouhá, buňky by byly natolik koncentrovány, že by došlo také ke smrti buněk.

 Podrobnější informace naleznete na stránce Osmóza.

Osmóza

Osmotický tlak

Osmóza je typ pasivního transportu, při kterém přestupuje rozpouštědlo (nejčastěji voda) přes polopropustnou membránu z prostoru s méně koncentrovaným roztokem do prostoru s více koncentrovaným roztokem. Polopropustná membrána je v tomto případě propustná pro rozpouštědlo a méně propustná nebo nepropustná pro rozpuštěné látky. Je-li polopropustná mebrána alespoň částečně prostupná pro rozpuštěné látky, může s sebou voda přestupující přes membránu strhávat i molekuly rozpuštěné látky – viz tah rozpouštědla. Velikost osmózy je dána rozdílem osmotických tlaků na obou stranách polopropustné membrány. Osmóza je vlastně specifickým příkladem difuze. Obecně ale osmóza funguje nejen pro kapaliny, ale i pro plyny. Může také probíhat proti gradientu koncentrace a nejde o úplně pasivní proces.

Onkotický tlak

Onkotický tlak (koloidně-osmotický tlak) je osmotický tlak způsobený bílkovinami. Onkotický tlak plazmatických bílkovin je 25 mmHg. Např. onkotický tlak plazmatických bílkovin (bílkovin krevní plazmy) v kapilárách má za následek kapilární filtraci a resorpci. Kapilární filtrace v arterialním úseku kapilár – krevní tlak (generovaný srdcem) je větší než onkotický tlak, to znamená, že tekutina bude prostupovat z kapiláry do tkáně, Kapilární resorpce vyjadřuje vyšší onkotický tlak krve oproti krevnímu tlaku ve venózním úseku kapilár. Tekutina je rozdílnými tlaky resorbovaná zpět do kapilár (tzn. když klesne množství bílkovin, klesne onkotický tlak – vznikají otoky, protože tkáňový mok není dostatečně odváděný kapilárami). Onkotický tlak nezahrnuje osmotický tlak způsobený anorganickými solemi, jelikož ty mohou v kapilárách volně prostupovat.

Rozdíl krevního (hydrostatického) tlaku a onkotického tlaku se nazývá efektivní (čistý) filtrační tlak.

Dialýza

Schéma semipermeabilní membrány

Makromolekulární látky (např. bílkoviny, polysacharidy, nukleové kyseliny) v roztoku je možné oddělit od anorganických solí a jiných nízkomolekulárních látek pomocí přirozených nebo umělých semipermeabilních membrán, které dovolují volný prostup malých molekul, zatímco molekuly velké skrz tuto membránu neprojdou. Tento proces diferenciální difuze se nazývá dialýza.

Princip metody

Malé molekuly přes membránu difundují ve směru koncentračního spádu. Jakmile se koncentrace malých molekul na obou stranách membrány vyrovnají, systém se dostane do ustáleného stavu (tj. molekuly přes membránu pozorovatelně nedifundují – či přesněji rychlost difuze oběma směry je shodná).

Pokud je potřeba proces urychlit, případně z dialyzovaného roztoku nějakou látku úplně odstranit, musí být po celou dobu procesu udržen dostatečný koncentrační spád. Buď se použije velké množství dialyzačního roztoku (relativně – ve vztahu k objemu dialyzovaného roztoku), nebo se dialyzační roztok často vyměňuje (dříve, než dojde k vyrovnání koncentrací malých molekul v dialyzovaném i dialyzačním roztoku). Rychlost dialýzy je také závislá na ploše dialyzační membrány: čím je větší, tím rychleji malé molekuly přejdou.

Důležitou vlastností každé dialyzační membrány je její tzv cut-off hodnota (MWCO – molecular weight cut-off). Informuje o tom, jak veliké molekuly membrána považuje za malé (tj. umožní jim volný prostup) a které už jsou velké (tj. skrz membránu neprojdou). Většina molekul s molekulovou hmotností přesahující MWCO dané membrány by měla být touto membránou zadržena. Tento parametr je nutno brát s rezervou, svou roli tu hraje nejen celková velikost molekuly, ale i její tvar.

_{S otevřeným deštníkem také dveřmi neprojdete, když ho ale složíte, neměli byste mít se vstupem do místnosti potíže. Přitom jde pořád o tentýž deštník.}

Klinické využití

V živém organismu lze všechny membrány buněk nebo jejich organel také označit za semipermeabilní, neboť do jisté míry dovolují přestup vody a nízkomolekulárních látek, ale nikoli proteinů. Ve výzkumné laboratoři představuje dialýza jednoduchou alternativu, pokud je nutné například odstranit přebytek solí z roztoku proteinů (či jiných makromolekulárních látek) nebo proteiny převést do jiného pufru.

V klinické medicíně se jedna z metod léčby selhání ledvin nazývá hemodialýza, neboť je založena na zcela stejném principu: krev pacienta proudí kolem semipermeabilních membrán, které dovolují vyrovnání koncentrací nízkomolekulárních látek s dialyzačním roztokem na druhé straně membrány (a tedy odstranění odpadních produktů metabolismu), zatímco plasmatické proteiny a krevní buňky přes dialyzační membránu neprocházejí a neztrácejí se. Kromě umělých membrán, umístěných mimo pacientovo tělo, lze k hemodialýze využít i pacientovo peritoneum – v tom případě se dialyzačním roztokem promývá peritoneální dutina, mluvíme o peritoneální dialýze.

Je důležité si uvědomit, že ne každá malá molekula představuje odpadní látku. Je nutné tedy takto ztracené molekuly nahradit. Do dialyzačního roztoku přidáváme například glukózu, Na⁺, K⁺ atd.