1.3. Fizikai, kémiai alapismeretek

A témakörhöz tartozó feladatokat itt találod.

Diffúzió és ozmózis

• A diffúzió biológiai jelentősége
  • A részecskék belső energiájára visszavezethető hőmozgásán alapszik
  • Eredménye az, hogy a részecskék a rendelkezésre álló térben teljesen egyenletesen fognak elhelyezkedni
  • Alapja a sejtek életműködése szempontjából több fontos fizikai-kémiai folyamatnak
  • Mindig a nagyobb koncentrációjú helyről a kisebb koncentrációjú hely felé
  • Arányossági tényező: diffúziós állandó, függ a hőmérséklettől
  • Biológiai jelentősége:
    • Biológiai rendszrek mikroszkopikus anyagtranszport folyamatai
    • Az anyagok sejtmembránain keresztül történő áthaladása
    • Alapvető anyagcsere-folyamatok
      • A vér és a tüdő közötti gázcsere
      • Ingerületi folyamatok
      • Felszívódás (pl. Gyógyszerek)
      • Kémiai reakciók
      • Sejtek közötti és sejtekben megvalósuló molekulamozgások
    • Pl. Ozmózis
    • Pl. Intracelluláris diffúzió, szerepe: biokémiai folyamatok, sejten belüli transzport, jelátvitel

• Az ozmózis biológiai jelentősége
  • A víznek (oldószer) féligáteresztő hártyán keresztül történő diffúziója
  • A féligáteresztő hártyán keresztül az oldószer a töményebb oldatba áramlik
  • A folyamat addig tart, amíg az ionok koncentrációja meg nem egyezik, ekkor a rendszer dinamikus egyensúlyi állapotba kerül
  • Mértéke: nyomásérték / ozmotikus nyomás
    • A töményebb oldatra gyakorolt nyomással lehet a víz beáramlását megakadályozni -> a nyomás nagysága a két, félig áteresztő hártyával elválasztott oldat koncentrációkülönbségének függvénye
  • Minél nagyobb a koncentrációkülönbség a két oldat töménysége között, annál erőteljesebb lesz a vízbeáramlás a hígabb oldatból a töményebb oldatba
    • Minél töményebb egy oldat, annál nagyobb az ozmózisnyomása
  • Biológiai jelentősége:
    • Növényi és állati sejtek jelentős része vizes oldat, amelyet féligáteresztő hártya vesz körül
    • Pl.: érett gyümölcsök széthasadása sok eső esetén
    • Pl.: növényi nedvek felszívódáse a magas növények csúcsáig -> ozmózisnyomás
    • Pl.: gyökérszőrök vízfelvétele
    • Pl: túl sós ételek szomjúságot okoznak -> a szervezet vízfelvétellel igyekszik a nagy ozmózisnyomás hatását csökkenteni
    • Emberi szervezet sejtjeinek oldatai a 0,9%os nacl-oldattal azonos ozmózisnyomásúak -> infúziók
    • Pl.: dialízis -> a dializátorban kering a vér, a szűrő másik oldalán egy vérnek megfelelő összetételű sóoldat van -> a két teret elválasztó membránon keresztül átjutnak a vérből a salakanyagok

Diffúzió	Ozmózis
Bármilyen típusú anyag	Csak víz mozgása
Bármilyen közegben (folyékony, szilárd, gáz)	Csak folyékony közegben
Nem igényel féligáteresztő hártyát	Féligáteresztő hártya
A diffúziós anyag kitölti a rendelkezésre álló teret	Az oldószer mennyisége nem lesz egyenlő a membrán két oldalán
Más részecskék jelenlététől függ	Az oldószerben oldott részecskék számától függ
A koncentráció kiegyenlítése az egész rendszerben	Az oldószer koncentrációjának kiegyenlítése

Ha megértetted, itt , itt és itt tudod az ozmózis és a diffúzió közti különbséget gyakorolni, itt pedig példákat tudsz csoportosítani. Itt pedig egy tankocka-mátrixot találsz az ozmózis gyakorlásához.

Ozmózisos kísérletek, plazmolízis

• KÍSÉRLET: Egyszerű ozmózisos kísérletek
  • 1. Üvegkád finom pórusú hártyával ellátva (állati bél, celofán) -> a vízmolekulák és a kisebb ionok átjutnak
    • Egyik felébe desztillált víz, másik felőbe tömény nacl-oldat
    • Később az üvegkád mindkét felőben azonos lesz a só koncentrációja
  • 2. Üvegkád finom pórusú hártyával ellátva (állati bél, celofán)
    • Egyik felébe desztillált víz, másik felébe tömény fehérje / cukoroldat
    • A fehérje / cukormolekulák nem férnek át -> a vízmolekulák egyirányú diffúziója
      • A vízmolekulák oda diffundálnak, ahol térfogategységként kevesebb van belőlük
  • Plazmolízis vizsgálata:
    • Vöröshagyma bőrszöveti nyúzata -> kb. 1cm²-es felületű darab
    • 5 percig 10%-os KCl-oldatba helyezni -> mikroszkóp alatt vizsgálni (10×20 nagyítás), KCl-oldattal lefedni!
    • A nyúzatot egy másik, desztillált vizet tartalmazó óraüvegre helyezni -> öt perc
    • -> mikroszkóp alatt vizsgálni (10×20 nagyítás), desztillált vízzel lefedni!
    • Tapasztalat és magyarázat:
      • 1. Vizsgálat: a 10%-os KCl-oldat töményebb, mint a sejt plazmája, a sejthártya pedig féligáteresztő tulajdonságú
        • Ozmózis: a sejtplazma vizet veszít és zsugorodik, a sejthártya elválik a sejlfaltól
        • A jelenség a plazmolízis, amely ozmózison alapszik
      • 2. Vizsgálat: a sejtplazmánál hígabb oldatban az ozmózis iránya fordított
        • A sejtplazma ismét kitölti a rendelkezésére álló teret a sejtfalon belül
        • A jelenség a geplazmolízis
  • Hemolízis: a vörösvérsejteket hipotóniás oldatba helyezve megfelelően híg oldat esetén a vörösvérsejtek megduzzadnak és szétpukkadnak

További ozmózisos kísérleteket itt találsz

Itt pedig egy tankocka-mátrixot a plazmolízishez

Nyirokképzés

• A szervezet ozmotikusan aktív anyagainak szerepe az életfolyamatokban
  • Vérfehérjék a visszaszívásban
    • A vér ozmózisnyomásának kialakításában minden oldott molekuláris anyag részt vesz
      • Kiemelkedő jelentősége a vérfehérjéknek van
    • Albumin: nagy koncentrációban van jelen a vérben; mennyisége állandó
  • Nyirokképzés
    • Nyirokkeringés: a zárt vérkeringési rendszerrel rendelkező gerincesek nyílt keringési rendszere
    • Keringő anyag: nyirok, a vérplazmából származik
    • A kapillárisok vékony falán a vérnyimásának hatására a plazma egy része átszűrődik -> a sejtek között szabadon mozgó szövetnedv, nyirok formájában található
    • -> a vér sűrűsége nő -> a hajszálerek  a vér növekvő ozmotikus nyomása miatt a kiszűrt nedv egy részét visszaszívják
    • Mindig marad a szövetek között egy többé-kevésbé állandó koncentrációjú, főleg ionokat, esetleg kisebb molekulákat tartalmazó, fehérjementes nyirokmennyiség

Kolloidok

•  A felületen való megkötődés biológiai jelentősége
  • Adszorpció: valamennyi, felülettel rendelkező anyag a felületővel érintkező gáznemű vagy folyékony anyagokat megköti
    • Valódi oldat: 1nm-nél kisebb részecskék oldószerben való elkeveredése
      • Pl.: nacl vizes oldata
      • Az oldott molekuláknak nincs felületük
      • Felületi anyagmegkötésről sem beszélhetünk
      • Nincs fajlagos felület
    • Kolloid oldat: 1-500nm-es részecskék elkeverésekor
      • A részecskék fajlagos felülete rendkívül nagy
        • Fajlagos felület: a részecske tömegéhez viszonyított felület aránya
      • A biológiai szempontból fontos makromolekulák legnagyobb rész eléri a kolloid mérettartományt
      • Vizes közegben lévő kolloidok stabilitása -> nagy felület miatt
        • Azonos anyagból álló szétoszlatott részecskék mindig azonos ionokat kötnek meg
        • -> azonos töltés -> taszítani fogják egymást -> stabilitás megnő
      • Szol: folyékony halmazállapotú
        • Szuszpenzió: folyékony közegben szilárd részecskék
        • Emulzió: folyékony közegben folyadékcseppek
      • Gél: a kolloid részecskék hidrátburkuk hidrogénkötéseivel egymáshoz kapcsolódnak, egységes hálózatot képeznek -> a részecskék nem képesek elmozdulásra
        • A szol óvatos lehűtéssel / lassú ütemű vízelvonással gél állapotba vihető
        • Ha a gélekből fokozatosan távolítjuk el a vizet -> rugalmasságukat elvesztik, összezsugorodnak, kiszáradnak
      • Koaguláció: a kolloid állapot megszűnése
        • A kolloid részecskék stabilizáló ion- vagy vízburka megszűnik -> a diszpergált részecskék összetömörülnek, majd kicsapódnak a kolloid oldatból
        • Denaturáció: a fahérje természetes szerkezetének elvesztése
          • Az oldott fehérjék koagulációja a denaturáció következménye
      • Vérben kolloidális mérettartományba esik:
        • A vérplazma néhány fehérjéje, pl.: fibrinogén, albumin, globulinok
    • Diszperz rendszer: 500nm-nél nagyobb részecskék eloszlatása
      • Vízbe szórt és azzal elkevert homokszemcsék
      • A felületük arányában kötnek meg egy réteget a körülöttük lévő vízből
      • A szilárd részecskék fajlagos felülete a tömegükhöz viszonyítva méretük növekedésével egyre kisebb lesz
  • Enzimműködés:
    • Katalizáció: az enzimmolekulák felületén megtalálható centrom(ok)ban megköti a molekulá(ka)t és kialakul a komplex
      • Az aktív centrum az enzimfehérje nagy molekulájának csak kis része
    • Aminosavak: az átalakítandó anyag megkötésében játszanak szerepet -> nem egymás mellett helyezkednek el a polipeptidláncban
      • Egymás közelébe kerülnek: az enzimmolekula feltekeredése során -> kialakul az aktív centrum speciális mintázata
      • -> nagyfokú fajlagosság, csakis a meghatározott anyag átalakulását segítik elő

Egy feladat a diszperz rendszerek csoportosításához

• Talajkolloidok:
  • • Humusz és az anyagrészecskék kolloidális méretűek
    • Ezek vízmegkötő képessége jelentős -> a humuszban és agyagban gazdag vályogtalajok sokkal több vizet tudnak megkötni és tartalékolni, mint a homoktalajok
  • Kapillaritás: hajszálcsövesség
    • A kolloidális méretű részecskék közötti hézagokban a víz gyorsan vándorol, illetve tartósan megmarad
    • Magvak fagy- és szárazságtűrése: a sejek kötött víztartalma miatt
    • Duzzadás: a kiszáradt gél képes újra vizet felvenni -> csírázás

Orvosi szén nagy felületi megkötőképességének kimutatása

• KÍSÉRLET: Mutassa ki az orvosi szén nagy felületi megkötőképességét festékoldattal. Tudja magyarázni és értelmezni a kísérletet, értse annak következményeit, alkalmazási lehetőségeit
  • Lombikba kb. 200cm³ vörösbor / 5-6 csepp fukszinoldattal megfestett víz
  • Adjunk hozzá szenet, majd keverjük össze
  • Szűrjük le az oldatot -> a szűrlet színtelen lett
  • Magyarázat:
    • A vörös színanyag a szén nagy fajlagos felülete miatt a szénhez kapcsolódnak
    • Abszorpció
  • Következmények, alkalmazási leheőségek
    • Gázmaszk
    • Elvezetőcső nélküli konyhai elszívók
    • Vákiimtechnikák
    • Vegyipar, gyógyszeripar: különböző anyagok megkötése
    • Ivóvíz-tisztítás
    • A szén nagy aktív felülete miatt: ezen a felületen magukhoz kötik a baktériumokat, vírusokat, ezzel megakadályozva azok felszívódását a szervezetbe

Katalizátorok

Ez az okoslecke segít az enzimek és az aktiválási energia megértésében

• Aktiválási energia
  • Az a minimális energia, ami egy kémiai reakció lezajlásához szükséges
  • A reakció során a reaktáns molekulák összeütköznek, és a kémiai kötések megfeszülnek, elszakadnak és újak képződnek a termékek létrejöttekor
  • -> aktivált komplex jön létre
  • Alkalmazása biológiai folyamatokra
    • Az élő szervezetekben az enzimek az aktiválási energiát csökkentve teszik lehetővé a biokémiai folyamatokat -> a katalizátorok a kémiai átalakulás számára új, kisebb aktiválási energiájú reakcióutat biztosíthatnak
    • Anyagcsere alapja a biokémiai átalakulások -> energiamegmaradás és energiaminimumra törekvés elve

• Katalizátor
  • Olyan anyag, amely növeli a kémiai átalakulások sebességét anélkül, hogy a folyamat következtében maradandóan megváltozna
    • -> kisebb aktiválási energiájú reakcióutat nyit meg
    • Katalizátorok jelenlétéven a reakciók más úton, alacsonyabb aktiválási energiájú részfolyamatokon keresztül játszódnak le -> növelik a reakciósebességet
  • Alkalmazása biológiai folyamatokra
    • Enzimek: biokatalizátorok, csak egyféle folyamatot katalizálnak

Kromatográfiás kísérlet

•  Kromatográfia 
  • Színnel írás, M.S.Cvet orosz botanikus -> fotoszintatikus pigmentek szétválasztása
  • Szétválasztási művelet, melyet nagyon hasonló összetételű és szerkezetű anyagokból álló elegyek szétválasztására lehet felhasználni
  • A szétválasztás alapját képező folyamatok szerint:
    • Adszorpciós kromatográfia
      • Az elegy összetevőinek adszorpciós képességének különbségén alapszik
      • Ha az elegy mozog, az adszorpciós felület áll és az összetevők adszorpciója eltérő mértékű a felületen -> a rendszer komponenseire bontható
      • Pl.: szűrőpapíron szétválasztani a fotoszintézisben szerepet játszó vegyületeket egymástól
    • Megoszlási kromatográfia
      • Az anyagkeveréket két egymással nem, vagy csak részlegesen elegyedő folyadékban oldják fel
      • Az összetevők a kialakuló fázisokhoz való oldódásuknak megfelelően oszlanak el
    • Ioncserélő kromatográfia
      • A rendszerből ionok lépnek ki a rögzített felületre, amelynek anyagából hasonló töltésű ionok lépnek a folyékony bázisba
  • Mozgó- és állófázis jellege szerint:
    • Folyadék-kromatográfia:
      • Szilárd állófázis, egy ezzel nem elegyedő mozgófázis
    • Gázkromatográfia:
      • Gáz / gőz a mozgófázis, a megoszlás a gáz és szilárd vagy folyékony állófázis között alakul ki
    • Vékonyréteg-kromatográfia:
      • Állofázis: egy finom szemcsméretű kovasav-gél, allumínium-oxid, cellulóz
  • Egy leírt kromatográfiás kísérlet eredményének értelmezése, alkalmazása
    • 1. Összezúzott lomblevél anyagaiból alkoholos kivonatot készítünk -> fotoszintetikus pigmentvegyületek (klorofill-a és –b, karotin, xantofill)
      • Az elegyből egy cseppet szűrőpapírra cseppentünk
      • A csepp a szűrőpapíron elfolyik és nagy színes folt keletkezik
      • Folt száradása után többször tiszta kivonószert cseppentünk -> kiterjedtebb folt
      • A fotoszintetikus fegyületek nem egyforma sebességgel vándorolnak az oldószercseppek hatására
        • Legtávolabbra az az összetevő jut, amelyik legkevésbé kötődik a szűrőpapírhoz
        • Karotin és xantofill
        • Közelebb: klorofill-b
        • Központhoz legközelebb: klorofill-a (legjobban kötődik)

Enzimek

• Enzimek előfordulása (minden sejtben működnek)
  • Enzimműködés lényege
    • Enzimek: fehérjemolekulák, fajlagosak ->
    • Kiindulási anyagok -> kötődnek az aktív centrumhoz (csak megfelelő térszerkezetű molekulák)
    • A megkötött anyagok reakcióba lépnek egymással àtermékké alakulás
    • A termék leválik az enzimről, mert térszerkezetük már nem illeszkedik az aktív centruméhoz ->
    • Az enzim újabb kiindulási anyagokat köthet meg
  • Enzimműködés optimális feltételei
    • Optimális hőmérséklet:
      • A kémiai folyamatok a hőmérséklet emelésével gyorsulnak
      • Enzimek: csak egy határig, mert fehérjék -> a magas hőmérséklet tönkre is teheti a szerkezetüket -> nem tudnak összekapcsolódni az átalakítandó anyaggal
    • Optimális pH:
      • Minden enzimnek van egy optimális vegyhatása, amikor a leggyorsabban tud működni
    • Optimális koenzim-koncentráció:
      • Túl kevés koenzim: reakció lassul, túl sok koenzim: reakció nem gyorsul
    • Optimális szubsztrát-koncentráció:
      • Enzimek számához képest mennyi az átalakításra váró anyag
    • Megfelelő ásványi anyagok jelenlése:
      • Enzimaktivátorok (pl.: Ca, Mg, Cu, Zn)
  • Enzimműködés optimális feltételei összefüggésben a szervezet jellemző értékeivel
    • A hőmérséklet, pH, ozmotikus koncentráció érzékenysége -> az aktív centrum bonyolult szerkezetével függ össze
      • A tényezők kismértékű megváltozása -> aktív centrum szerkezetét meghatározó aminosav-oldalláncok elmozdulnak -> az aktív centrum elveszti komplementer szerkezetét a szubsztrátéval
    • Homeosztázis: szabályozott állandóság, amely jellemző a test hőmérsékletére / pH-értékére, az ozmotikus viszonyokra
    • Testhőmérséklet: már kis hőmérsékletváltozás (tartós nyári meleg, láz) működési zavarokat okozhat az enzimeknél
    • pH: kémhatás módosulása (pl. Gyors légzés, gyakori hányás) működési zavarokat okozhat az enzimeknél
    • ozmotikus viszonyok
  • enzimhibán alapuló emberi betegség megnyilvánulásai
    • tejcukor-érzékenység
      • Oka: a laktáz hiánya / elégtelen működése -> tejcukrot bontja el
      • A vékonybél nyálkahártyasejtjeiben található
      • Laktóz: glükóz + galaktóz, egy kémiai kötés -> a kötés áthasítását végzi a bélben a laktáz enzim
      • A kettős cukormolekula a bél hámsejtjein nem tud átjutni -> egyszerű cukrok fel tudnak szívódni és eljutnak a vérbe
      • Emésztetlen tejcukor: ozmotikus hatás -> vizet szív a bél lumenébe -> hasmenés
    • megelőzési lehetőségek
      • tejcukorérzékenység:
        • tejcukormentes diéta, laktáz enzim pótlása, tejcukortűrő képesség meghatározása

Gyakorló oldal az enzimekhez

Feladat az enzimműködéshez

• ATP-bontó enzimek összefüggése az energiaigényes folyamatokkal
  • Miozin
    • Izomsejtek szerkezete ATP bontása során megváltozik
    • Ennek során behúzza az aktinszálakat a miozinszálak közé -> izomrostok összehúzódása
  • Na-K pumpa
    • A sejtekből nátriumionokat távolít el, káliumionokat transzportál a sejtekbe
    • A nyugalmi potenciál kialakítása -> idegsejteknél az ingerlékenység alapfeltétele
• ATP-szintézis összefüggése az egyenlőtlen ioneloszlásal
  • Mitokondrium
    • A mitokondrium az ATP-előállítás fő színtere
    • Az ATP a terminális oxidáció folyamatában keletkezik
    • A terminális oxidáció során a mitokondrium belső membránjának két oldalán a hidrogénionok egyenlétlen koncentrációja alakul ki
    • Az ATP-t előállító enzim a belső membránban található, amely a hidrogénionok koncentrációkülönbségének kiegyenlítődését teszi lehetővé -> felszabaduló energiát beépíti az ATP-be

Kísérlet az enzimműködéshez

•  KÍSÉRLET: megtervezni és magyarázni az enzimműködéshez szükséges optimális kémhatást és hőmérsékletet bemutató kísérletet, eredmény értékelése
  • Optimális hőmérséklet
    • 4db kémcsőbe 2-2cm³ amiláz-oldat
    • Egyéket felforraljuk
    • Mindegyikbe 1-1cm³ keményítő-oldat, óvatosan összerázni
    • A három, előzőleg fel nem forralt oldatot 0, 10 és 37 Celsius fokos vízfürdőbe
    • 10 perc elteltével: 1-1 csepp minta mindegyik kémcsőből -> fehér csempelapra cseppenteni -> 1-1 csepp Lugol-oldatot hozzáadni
    • Eredmény:

Hőmérséklet	0	10	37	100
Lugol-próba eredménye	+++	+	—	+++

• Amelyik kémcsőben negatív a Lugol-próba eredménye, abban elbomlott a keményítő az enzim hatására
  • Amelyikben kimutattuk a keményítőt, abben nem működött az enzim
    • 0 fokon: nagy az aktiválási gát, a reakció nem megy végbe
    • 10 fokon: lassú reakció
    • 37 fokon: optimális mértékű reakció
    • 100 fokon: irreverzibilisen denaturalizálta az enzimet, így elvesztette aktivitását
  • pH-függés:
    • hasonló kísérlet, ebben az esetben különböző kémhatás mellett kell vizsgálni
    • 2×12 kémcsőbe 3cm³ fehérjeoldat
    • Kémhatások beállítása: pH=1, pH=2, … pH=12 (jeweils 2 kémcső)
    • Egyik kémcsősorozat: 1-1cm³ A emésztőnedv, másik kémcsősorozat: B emésztőnedv
    • Emésztőnedv működési aktivitása a pH függvényében: