1. Difüzyon Yrd Doç Dr M. Erdem SAGSOZ Biyofizik AD mesagsoz@atauni.edu.trmesagsoz@atauni.edu.tr, Tel:8693 1

2. Maksat ve Hedefler Bu dersin sonunda, öğrencilerin aşağıdaki kavramları ifade edebilmesi beklenmektedir; 1 - Difüzyon fiziksel prensipleri. 2 - Membran aracılığıyla difüzyon 3- Simport ve antiport 4- Na-K iyon kanalları 2

3. Bir saniyenin 1/1000’i süresince bir sıvı molekülünün difüzyonu 3

4. Parçacıkların Rastgele Hareketi Sıvı, katı veya gaz, herhangi bir maddenin molekülleri, sürekli bir hareket veya titreşim durumundadır, daha sıcak olan maddenin, molekülleri de hızlı hareket etmektedir. E ≈ kT (k: Boltzman sabiti 1.38x10-23 J / ⁰ C) 2500 J/mol oda sıcaklığında. Bu "termal hareket"in ortalama hızı da molekülün kütlesine bağlıdır. Vücut sıcaklığında (36,5-37,5 ⁰ C), yaklaşık bir su molekülünün hızı saatte 2500 km iken, 10 kat daha büyük moleküler kütleli glikozun yaklaşık 850 km/saat’dir. Çözeltilerde, böyle hızla hareket eden moleküller başka bir molekülle çarpışmadan uzak mesafelere gidemezler. Saniyede milyonlarca çarpışma geçiren birer lastik top gibidirler. Her çarpışma molekül hareketinin yönünü değiştirir ve bir molekülün takip edeceği yol öngörülemez olur. Bir molekülün herhangi bir anında herhangi bir yönde hareket ediyorsa, böyle hareket, hareketin hiçbir tercih yönü olmadığı yani “rastgele" olduğu söylenir. 4

5. Brownian Hareket Tarih: 1828, botanikçi Robert Brown ışık mikroskobu altında suda (çapı 1  m olan) polen tanelerini gözlemiştir. Polen gibi tamamen cansız olan parçacıklar da izole, kapalı bir kapta harekete devam etmekteydi. Parçacıkların yönü ve hızı rastgele ve ani değişen bir seyir izlemekteydi. 5

6. Kelvin Mutlak 0 sıcaklığı hariç moleküllerin hareketi hiç kesilmez Mutlak 0, 0 K yani – 273 °C dır.

7. Difüzyon Difüzyon bir gaz ya da çözeltide maddenin, mevcut hacminin tümünü doldurmak için, parçacıkların hareketi nedeniyle ilerlediği bir süreçtir. Bir çözücü içinde çözünmüş bir maddenin parçacıkları (moleküllerin veya atomların) sürekli rastgele bir hareket halindedir. Konsantrasyonu yüksek bölgelerden, düşük bölgelere doğru, çözünen parçacıkların net akısı bulunmaktadır. 7 Difüzyon

8. Difüzyon sonunda denge için gereken süre, uzaklığın karesi ile orantılıdır. Başka bir bölgeden difüzyon eğiliminin büyüklüğü difüzyonun gerçekleştiği kesit alanı ve konsantrasyon gradyenti ile veya difüzyona uğrayan maddenin konsantrasyon farkının arayüzün kalınlığına bölünmesiyle bulunan kimyasal gradyentle doğru orantılıdır. (Fick difüzyon eşitliği) 8

9. Fick Eşitliği burada J net difüzyon hızı, D difüzyon katsayısı, A alan ve Δc/Δx konsantrasyon gradyentidir. Eksi işareti difüzyonun yönünün konsantrasyonun yüksek olduğu konumdan düşük olduğu konuma doğru olduğunu göstermektedir. 9

10. 10

11. Difüzyon (Pasif Taşınma) : Difüzyon, moleküllerin hareket enerjilerine bağlı olarak membrandaki lipidde eriyerek veya bir kanal proteininin içinden veya taşıyıcı bir proteine bağlanarak rastgele moleküler hareketlerle membrandan geçişi demektir. 11

12. 12

13. Yüksek konsantrasyondan daha düşük bir konsantrasyona gelen moleküllerin hareketini ele alınırken, Δc/Δx negatiftir, böylelikle -DA ile çarpılarak pozitif bir değer alır. Vücutta difüzyon meydana gelen sınırların geçirgenlikleri farklıdır. Ama yine de difüzyon hala su ve çözünenlerin dağılımını etkileyen önemli bir güçtür. 13

14. Canlıların birçok süreçleri difüzyon ile yakından ilişkilidir. Örneğin, oksijen, besin maddeleri ve diğer moleküllerin küçük kan damarlarından (kılcal damarlar) geçişi difüzyon ile olur. Plazma membranları ve organel membranlarının genelinde birçok madde hareketi difüzyon ile gerçekleşir. 14

15. Difüzyonun yönü ve büyüklüğü Geçirgen bir membran ile ayrılmış eşit hacimli iki bölme arasındaki glukoz difüzyonu şekilde gösterilmiştir. 15

16. Difüzyon hızına karşı uzaklık Molekülleri difüzyon mesafesinin belirlenmesi plazma zarını geçtikten sonra bir hücrenin içi boyunca hareketi veya kandan hücre içine ulaşma hızının belirlenmesinde önemli bir faktördür. Moleküller yüksek hızlarda yol almasına rağmen, çarpışmaların sayısı düz bir çizgi üzerinde yol almalarını engeller. -ortalama serbest yol- 16

17. 17

18. Hücre dışı ile hücre içi oranlarına bakarsak : Na + hücre dışında 142 mEq/L, içinde 10 mEq/L dir. Yani hücre dışında 14 kat fazladır. Cl - hücre dışında 103 mEq/L, hücre içinde 4 mEq/L dir. Bu da 25 katlık bir fark demektir.

19. Lipid çift katmanı üzerinden difüzyon Farklı organik moleküllerin difüzyon sabitleri moleküler yapıları ile ilgili olarak incelendiğinde, bir ilişki ortaya çıkmaktadır. Bazı polar moleküllerin hücrelerin içine çok yavaş difüze olduğu ya da hiç difüze olamadıkları, oysa, apolar moleküllerin plazma zarı üzerinden çok daha hızlı bir şekilde -yani, büyük geçirgenlik sabitleri ile diffüze oldukları bilinmektedir. Bunun sebebi, apolar moleküllerin membran fosfolipidlerinin yağ asidi zincirleri tarafından işgal edilen membranın apolar bölgelerinde çözünebilmesi olabilir. 19

20. 20 Difüzyon Hızı = Mesela hücre zarının K + ’a geçirgenliği, moleküler ağırlığı daha yüksek olan Na + ’dan 50 kat daha fazladır.

21. 21 Difüzyon 1) basit ve 2)kolaylaştırılmış difüzyon olmak üzere ikiye ayrılır.

22. 22

23. Hücre zarından madde transferi mekanizmaları 23

24. Basit difüzyon : Molekül veya iyonların, membrandaki protein kanallarından (porlardan) veya membrandaki moleküller arası boşluklardan, taşıyıcı proteine bağlanmaksızın kinetik hareketler ile membranı geçmesi anlamına gelir.

25. Basit difüzyonun hızı ; – Mevcut madde miktarı – Kinetik hareketin hızı – Membranda iyon ve moleküllerin hareket edebilecekleri kanalların sayısı tarafından belirlenir.

26. Basit difüzyonda: Madde 2 yolla membranı geçer (1) Çözünebiliyorsa lipidde eriyerek geçer (2) Bazı integral proteinlerin su dolu kanallarından geçerek difüzyona uğrar.

27. Basit difüzyon

28. 28

29. Pulmoner membranda difüzyon Akciğerlerde gaz değişimi difüzyon ile gerçekleşir. Karbon dioksit konsantrasyonu alveolar havada düşük ve kanda yüksektir. CO 2 ve oksijen difüzyon olayları aynı anda ters yönde gerçekleşir. 29

30. O 2, CO 2, N 2, alkol, ilaçların (mesela ASA), yağda eriyen vitaminlerin ve anestezik gazların lipidlerde çözünebilirliği çok yüksektir. H 2 O lipidde çözünmez fakat protein kanallarından oldukça difüzdür, hatta kırmızı kan hücre zarından, saniyede her iki yönde hücre hacminin 100 katı su difüze olmaktadır. 30

31. 31

32. Protein kanallarının 2 önemli özelliği vardır : (1) Genellikle belirli maddelere karşı seçici geçirgendirler (selectivelypermeable) (2) Kanalların çoğu kapılarla açılır ve kapanır.

33. Peki, protein kanallarının hangi özellikleri onları seçici geçirgen yapar? (1) Protein kanalının çapı (2) Protein kanalının şekli (3) Protein kanalının iç yüzündeki elektriksel yük, o kanalı farklı iyonlar için seçici yapar.

34. Na + kanalları ve K + kanallarının özellikleri nelerdir? Aralarındaki farklar nelerdir? Na + kanallarının çapı 0.3 x 0.5 nm, K + kanalının çapı 0.3 x 0.3 nm dir. Na + kanallarının iç yüzeyi kuvvetli negatif yükle yüklüdür. K + kanalları ise iç yüzeyinde negatif yük taşımazlar. Bir iyon kanalının şematik diyagramı 1) kanal alanı, 2) dış açıklık, 3) seçici filtre, 4) seçici filtre çapı, 5) fosforilasyon bölgesi, 6 - hücre zarı.fosforilasyonhücre zarı

35. 35 Uyarılabilir hücre zarlarında bulunan tüm sodyum kanallarının küçük ayrıntılar dışında benzerlik gösterdiği anlaşılmıştır. Bu kanallar paralitik (felç yapıcı) ve öldürücü etkileri olan, suda çözünebilen iki önemli zehir, tetrodotoxin (TTX) ve saxitoksin (STX) tarafından bloke edilmektedir. Bazı lokal anestezikler ise kanal içindeki farklı bağlanma yerlerine bağlanarak kanalı bloke etmektedirler. Na kanal sayısı yaklaşık 70-500 /μm 2 olarak belirlenmiştir.

36. Sodyum kanalları, hücrenin plazma zarının içinden sodyum iyonu (Na +) ileten iyon kanallarını oluşturan integral membran proteinleridir. Bu iyonlar için kanalı açan mekanizmaya göre sınıflandırılır; Bir gerilim değişimi ("Voltaj kapılı, voltaj-duyarlı ya da voltaj-bağımlı (VGSC veya Nav olarak da adlandırılır) sodyum kanal da denir veya Kanal bir maddenin (ligand gibi) bağlanmasıyla (liganda bağımlı sodyum kanalı) aktiflenir. 36

37. İyon kanalları ya voltaj değişikliği ya da kimyasal madde aracılığı ile açılırlar, Na + kanalının aktivasyonu membranın dış tarafından, inaktivasyonu ise iç taraftaki diğer bir kapıdan olur.

38. K + kanalının ise: Hem aktivasyonu hem de inaktivasyonu içteki tek kapıdan olur. Ayrıca K + kanal kapısının çalışması Na + kanallarından çok yavaştır. Bu, aksiyon potansiyelindeki “Ard Hiperpolarizasyonun” da sebebini teşkil eder.

39. Sodyum ve potasyum iyonlarının protein kanallarından taşınması. Kapıları açıp kapayan protein moleküllerindeki konformasyonal değişiklikler de gösterilmiştir

40. Patch – Clamp (Yama –Kıskaç) Metodu Tek bir kanaldan iyon akımını tespit etmek için “Patch Clamp (Yama Klemp) Metodu” kullanılır

41. Patch Clamp Metodu : Çok basitce sadece 1 veya 2 mikrometre çapında bir mikropipet, hücre membranının dış tarafına yerleştirilir. Sonra pipet içindeki hava vakumla emilerek membran pipetin içine çekilir. Böylece pipetin hücre membranına dokunan bölümlerinde bir tıkacın olması sağlanır. Bazen de membrandan koparılan bir parçanın yapışmış olduğu pipet bir eriyiğin içine sokulur. Pipetin içindeki ve eriyikteki iyon konsantrasyonu istenildiği şekilde değiştirilerek iyon kanallarının buna cevabına bakılabilir.

42. A) Tek bir voltaj kapılı Na + kanalından yapılan elektrik akımının kaydı, kanalın açılmasında hep ya da hiç yasasının geçerli olduğunu göstermektedir. B) Tek bir protein kanalından “patch- clamp” yöntemiyle akım kaydı gösterilmektedir. Üstte: kayıt, canlı bir hücre üzerindeki yamadan yapılmıştır Altta: kayıt, hücreden koparılan bir zar yamasından yapılmıştır

43. Kolaylaştırılmış difüzyon nedir? Kolaylaştırılmış difüzyon diğer ismiyle “taşıyıcı aracılı difüzyon” dur. Spesifik bir taşıyıcı molekül gerekmektedir.

44. 44

46. Basit Difüzyon genelde tek yöne doğru olmasına karşılık Kolaylaştırılmış Difüzyon her iki yönde olabilmektedir. Kolaylaştırılmış difüzyonda iki maddenin taşıyıcı molekül ile (ko-transport) aynı yönde taşınmasına “symport”, zıt yönde taşınmasına ise “anti-port” adı verilir.

47. KD-Tek madde, tek yöne

48. Symport taşınım KD-İki madde, aynı yöne

49. Antiport taşınım KD-İki madde, zıt yöne

50. Üçü birarada

51. Kolaylaştırılmış difüzyonun hızını : (1) Taşıyıcı proteinin hızı (2) Taşıyıcı proteinin madde taşıma kapasitesi (3) Taşıyıcı protein sayısı yani kısaca V max değeri etkiler

52. Basit ve kolaylaştırılmış difüzyon eğrileri Zardan basit difüzyon ve kolaylaştırılmış difüzyon ile olan difüzyonun hızı üzerine difüzyona uğrayacak maddenin konsantrasyonunun etkisi. Şekilde kolaylaştırılmış difüzyon hızının Vmax değeri ile sınırlı olduğu görünmektedir.

53. Kolaylaştırılmış difüzyon için önerilen mekanizma

54. Glukoz ve aminoasitlerin çoğu kolaylaştırılmış difüzyonla taşınırlar. Enerjiye ihtiyaç yoktur. İnsülin : Glukozun kolaylaştırılmış difüzyonla taşınma hızını 10-20 kat artırmaktadır. Phloretin adlı protein hücre membranının çift katlı lipid tabakasına adsorbe olup hücrelerden glukoz uptake’ini (salınımını) engeller, re-uptake’ini (geri alınımını) artırır. İnsülin hormonu Phloretin i uyarıcı etki gösterir.

55. Phloretin

56. Net difüzyon hızını etkileyen faktörler nelerdir? (1)Konsantrasyon farkı (2)Elektriksel gradient (şarj farklılığı) (3)Her iki taraf arasındaki basınç farkı (4)Membranın kalınlığı (yani yolun uzunluğu) (5)Maddenin lipidde eriyebilirliği (6)Maddenin geçebildiği protein kanallarının sayısı (7)Sıcaklık (temperatür): Moleküllerin hareketlerini artırır (8) Maddenin molekül ağırlığı (9) Maddenin çapı

57. Hücre zarından net difüzyon üzerine, (A) konsantrasyon farkının, (B) elektriksel farkın, (C) basınç farkının etkisi

58. Difüzyon mesafesinin önemi: Difüzyon mesafesinin 10 kat artması, difüzyonun tamamlanma süresini 100 kat artıracaktır. Kapillere 100 µm uzaklıktaki bir hücre ile iskelet kası hücresinin besin maddelerinin difüzyon süresi yönünden karşılaştırıldığında; ( 5 s – 14 saat )

59. Difüzyon mesafesinin önemi: Difüzyon mesafesi (µm) Difüzyon süresi 1 …………………………….……0.5 msn 10 ……………………………… 50 msn 100 …………………………… 5 sn 1000 (1 mm) ………………… 8.3 dk 10.000 (1 cm) ………………… 14 saat

60. Difüzyon katsayısı (D) nedir? Difüzyon katsayısı, membranın geçirgenlik özelliğini belirten bir katsayıdır. Membranın geçirgenlik derecesi ile membranın toplam alanının çarpılması “difüzyon sabiti (katsayısı)” olarak adlandırılır. D = P x A permeabilite x alan

61. Difüzyon Katsayısı (D) Difüzyona uğrayacak molekülün çapı büyükse, Difüzyonun gerçekleşeceği yüzey daha visköz ise, (D) değeri daha küçük olacaktır.

62. Difüzyon hızına etki eden 3 önemli faktör : Membranın iki tarafı arasındaki : (1) Konsantrasyon farkı (2) Elektriksel fark (3) Basınç farkıdır.