1-Diffüzyon (Basit Diffüzyon) (Pasif Taşıma)

A –       PASİF TAŞIMA TİPLERİ

1-    Diffüzyon (Basit Diffüzyon)

Su molekülleri dahil bir çözeltideki(solusyondaki) veya gazdaki tüm moleküller/iyonlar, sahip oldukları kinetik enerjileri sayesinde devamlı olarak hareket ederler. Bu hareketler, Termal Hareketler veya Brown Hareketleri olarak adlandırılır.

Bir çözeltide çözünen madde (solüt) molekülleri devamlı olarak çözücü madde (solvent) moleküllerine çarpar. Bu çarpma solvent moleküllerinin kinetik enerjisinin bir kısmının solüt moleküllerine aktarılmasına, böylece solüt moleküllerinin solvent içerisinde rastgele yönlere doğru hareketine neden olur. Solusyona dıştan bir güç uygulanmadıkça, solüt moleküllerinin hareketi mutlak sıcaklık şartları dışında hiç durmadan devam eder. Bununla birlikte, eğer bir çözeltinin iki bölgesi arasında bir iyonun veya molekülün konsantrasyon farkı bulunacak olursa, bu iyon veya molekül yüksek konsantrasyonda bulunduğu bölgeden düşük konsantrasyonda bulunduğu bölgeye hareket eder. Konsantrasyon farkından dolayı,  bir iyonun/molekülün kendi kinetik enerjisi ile yüksek konsantrasyonda (yüksek serbest enerjili) olduğu bölgeden düşük konsantrasyonda (düşük serbest enerjili)  olduğu bölgeye doğru olan hareketi Diffüzyon olarak tanımlanır.

Diffüzyon, iyon veya molekülün iki bölgedeki konsantrasyonu dengeleninceye kadar devam eder. Bundan sonra iyonun veya molekülün Brown hareketleri devam etmesine rağmen, bir yöne doğru olan net yönelim durur, dinamik denge ortaya çıkar. Buna göre, diffüzyonu bir solusyonun farklı kısımlarındaki eşit olmayan kimyasal potansiyelleri dengelemeye yarayan faaliyetler olarak düşünebiliriz. Diffüzyon gaz ortamında veya bir çözelti içinde olabildiği gibi, zarla ayrılmış iki kompartman arasında hatta katılarda da olabilir. Güzel veya güzel olmayan bir kokunun odadaki yayılımı gaz ortamındaki diffüzyona, bir bardak suya damlatılan mürekkebin suya yayılımı sudaki diffüzyona, bir kâğıda veya kumaşa damlatılan yağın kâğıt veya kumaştaki yayılımı katı ortamdaki diffüzyona örnek teşkil eder. Diffüzyon gaz ortamında çok hızlı, sıvı ortamda yavaş, katı ortamda daha da yavaştır. Örneğin 20oC’da oksijenin sudaki diffüzyon hızı iskelet kasındakinden 2,4 kat fazla, havadaki diffüzyon hızı iskelet kasından 786000 kat fazladır.  Fakat her nasıl gerçekleşirse gerçekleşsin, diffüzyon olayı canlı açısından önemli bir olaydır. Diffüzyon sayesinde maddeler hücre içi sıvının bir bölgesinden diğerine, bazı maddeler hücre dışı ortamdan hücre içi ortama veya hücre içinden hücre dışı sıvıya taşınabilir. Gerçekleşen difüzyon değerinde ortam ve sıcak önemli rol oynar.

Diffüzyon mikroskobik mesafede oldukça hızlı olmasına rağmen, makroskobik düzeyde son derece yavaştır. Bir bardak suya bırakılan bir tane küp şekerin dağılarak suyun her yanını aynı derecede tatlandırması için birkaç gün gerekir. Bir sıvı ortamda diffüzyon zamanı diffüzyon mesafesinin karesi ile artar. Bu nedenle diffüzyon mesafesindeki on misli artış, diffüzyon için gerekli zamanı yüz kat arttırır. Bunu şu şekilde örnekleyebiliriz. Oksijen suda 0.1 mm’yi yaklaşık olarak bir saniyede diffüz ederken, bir milimetreyi yaklaşık olarak 100 saniyede, bir santimetreyi de yaklaşık olarak üç saatte diffüz eder.

Hücre içinde maddelerin diffüzyonla gidecekleri mesafeler nanometre düzeyinde yani çok kısa olduğundan hücresel düzeyde diffüzyon oldukça hızlıdır. Fakat çok hücreli hayvansal organizmalarda kısa sürede besin ve oksijen gibi gerekli maddelerin kısa zamanda vücudun bir bölgesinden diğerine ulaştırılmasında diffüzyonun makroskobik düzeydeki yavaşlığı sınırlayıcı olmaktadır. Diffüzyonun makroskobik düzeydeki sınırlayıcı etkisini aşabilmek için, çok hücreli hayvanlarda evrimsel gelişmelerine uygun olarak dolaşım sistemi ve alt bölümleri ile vücut sıvılarında taşıyıcı proteinler ortaya çıkmıştır. Alt bölümler dolaşım sisteminin küçük damarlarıyla donatılan ya da dolaşım sıvısı ile sürekli olarak yıkanan küçük gruplar halinde organize olmuş hücre topluluklarıdır. Hayvanın dolaşım sistemi, hücrelere doğru veya hücrelerden uzaklaşan yöne hızlı bir madde akışı sağlamak için kasların veya kasılabilir elemanların kasılma gücünü kullanır. Dolaşım sistemi, maddelerin hücreler tarafından diffüzyonla kolaylıkla alınıp verilebilecekleri mesafeye taşınmasını sağlayarak makroskobik düzeyde diffüzyonun neden olduğu problemleri ortadan kaldırır.

Daha önce de belirtildiği gibi, diffüzyon bir zar boyunca da olabilir. Bir iyon veya molekül zardaki porlardan veya çift lipit tabakasındaki açıklıklardan (aralıklardan)  diffüzyonla geçebilir.  Zar boyunca olan diffüzyon zarın iki tarafındaki konsantrasyonları eşitlemeye çalışır. Molekül büyüdükçe ve diffüz edilen ortamın vizkozitesi arttıkça molekülün diffüzyon hızı düşer. Fakat deneysel veriler bir maddenin zardan diffüzyon hızının, sıvı ortamdaki diffüzyon hızından daha yavaş olduğunu göstermiştir. Zardan bir yöne doğru, örneğin hücre dışından hücre içine doğru diffüz eden maddeler, zıt yönde de diffüz edebilirler. Bu durumda, iki zıt yöne doğru olan diffüzyon farkı, o madde için net diffüzyon nisbetini verir.

 

Biyozarlardan diffüzyonda;

1.    Diffüz edecek maddenin zarın iki tarafındaki konsantrasyon farkı,

2.    Zardaki porlu bölgelerin porsuz bölgelere oranı,

3.    Diffüzyonun gerçekleştiği zarın kalınlığı ve yüzey alanı,

4.    Diffüzyonun gerçekleştiği ortam,

5.    Maddenin büyüklüğü, yükü ve şekli,

6.    İyonlar söz konusu olduğunda zarın iki tarafındaki potansiyel farkı,

7.    Sıcaklık ve kinetik hareketin hızı,

8.    Diffüz edecek maddenin lipitte çözünürlük derecesinin sudaki çözünürlük derecesine oranı (partizyon katsayısı),

9.    Birim zamanda zarın birim alanından geçen iyon veya molekül miktarı(zarın geçirgenlik katsayısı),

10.Protein kanallarının sayısı gibi faktörler etkili olur.

 

Bir maddenin lipitte çözünürlük derecesinin sudaki çözünürlük derecesine oranı büyüdükçe, diğer bir ifadeyle maddenin lipitte çözünürlüğü arttıkça, zardan diffüzyonu artar. Örneğin oksijen, azot, karbondioksit ve alkollerin partizyon katsayıları çok yüksek olduğundan bunlar tıpkı sıvı ortamda diffüz eder gibi, zardan kolayca diffüz ederler. Böylelikle özellikle çok fazla miktardaki oksijen sanki zar yokmuş gibi, hücreler içerisine girer.

Farklı hücrelerin aynı maddeye karşı geçirgenlik katsayısı önemli ölçüde değişebilir. Geçirgenlik katsayılarını bir sıvıdaki diffüzyon katsayılarıyla karşılaştırdığımızda, zar boyunca gerçekleşen diffüzyonun sıvıdakinden daha yavaş olduğu görülür.

Alman anatomist Adolph Fick bir zardaki diffüzyonda etkin faktörleri dikkate alarak,   gerçekleşecek net diffüzyon miktarını hesaplamak için bir formül geliştirmiştir. Fick’i bir zardan net diffüzyon miktarını hesaplamak için geliştirdiği formül aşağıda verilmiştir.

 

                difüzyon miktarı hesabı       

 

Burada;

J: Birim zamanda gram veya mol olarak net diffüzyon miktarını,

D: Diffüz eden solütün diffüzyon katsayısını,

A: Zarın diffüzyon alanını,

            DX:Zarın kalınlığını,

            DC: Zarın iki yanındaki konsantrasyon farkını ifade eder.

 

Verilen formülden anlaşılacağı gibi birim zamanda bir zardan geçen madde miktarı difüzyonun gerçekleştiği zarın alanı, gazın difüzyon katsayısı ve maddenin zarın iki tarafındaki konsantrasyon farkı ile doğru orantılı, zar kalınlığı ile ters orantılıdır. Diffüzyon katsayısı biyolojik sistemlerde makromoleküllerin hareketlerini değerlendirmede önemlidir. Diffüzyon katsayısı gazın çözünürlüğü ile doğru orantılı, molekül ağırlığı ile ters orantılıdır. Küçük diffüzyon katsayılı büyük moleküller çoğunlukla çok yavaş olarak hareket ederler.

Canlılar için son derece önemli bir madde olan su, zar lipitlerinde çözünmemesine rağmen hücre zarından kolaylıkla geçebilmektedir. Suyun çoğu doğrudan doğruya çift lipit tabakasını oluşturan fosfolipitler arasından,  bir kısmı da zardaki protein kanallardan hücreye girer. Suyun hücre zarından geçişte gösterdiği hız oldukça şaşırtıcıdır. Bir örnek verilecek olursa, bir alyuvar hücresine saniyede giren ve çıkan toplam su miktarı, hücrenin kendi hacminden yaklaşık olarak yüz kat fazladır. Zarın çift lipit tabakasından suyun bu kadar fazla diffüz edebilmesinin nedeni hala tam olarak anlaşılamamıştır. Fakat su moleküllerinin oldukça küçük ve kinetik enerjisinin fazla olmasının ayrıca lipitlerin hidrofobik karakterlerinin bunda etkili olduğuna inanılmaktadır. Diğer lipitte çözünmeyen fakat suda çözünen yüksüz moleküller de eğer yeteri kadar küçükse su molekülleri gibi zarın çift lipit tabakasından kolayca geçebilirler. Fakat suda çözünür yüksüz moleküllerin büyüklüğü arttıkça, zardan geçişleri azalır. Örneğin suda çözünür bir madde olan ürenin çapı, suyun çapından sadece % 20 fazladır. Böyle olduğu halde ürenin zardan geçiş nisbeti suyunkinin yaklaşık olarak binde biridir. Yine suda çözünür bir madde olan glukozun çapı suyunkinin yaklaşık olarak üç katıdır. Fakat glukozun zarın lipit engelini geçme hızı suyunkinin yüzbinde biri kadardır. Verilen bu örneklerden görüleceği gibi lipitte çözünmeyen fakat suda çözünen maddelerden genellikle çok küçük olanlar az miktarda da olsa zarın çift lipit tabakasından geçebilirler. Hücre zarları genellikle molekül ağırlığı 200 daltondan büyük olan suda çözünür moleküllere karşı geçirgen değildir. Fakat her küçük molekül zardan aynı hızla geçemez. Örneğin hidrojen, potasyum, sodyum gibi iyonlar çok küçük olmalarına rağmen, yüklerinden dolayı lipit çözücülerde az çözünmeleri nedeniyle zardan çok az geçebilirler. Bunlar zar çift lipit tabakasını, suyun geçiş hızının yaklaşık olarak milyonda birinden daha yavaş geçerler. Bu nedenle, bu iyonların hücreye veya hücreden dışarıya yeteri kadar taşınmaları zar proteinleriyle olmaktadır.

Zar lipit tabakasının, iyonlara karşı geçirgen olmamasının başlıca iki nedeni vardır. Birincisi iyonların yükleri nedeniyle su molekülleri tarafından sarılmaları(kuşatılmaları), böylelikle büyüklüklerinin artmasıdır. İkincisi iyonların zardaki lipitlerle etkileşmesi sonucu hızlı bir şekilde itilmeleridir.

Belirli iyonların hücreye giriş ve çıkışında zardaki genellikle açılıp kapanabilir olan kanallar önemli rol oynar. Bu kanallar ekseriya belirli iyonlara veya moleküllere karşı seçici geçirgendir. Bu seçici geçirgenlik durumu, kanalın çapından, şeklinden ve iç yüzeyi boyunca yer alan elektrik yüklerinden ortaya çıkar. Örneğin zardaki 0.3-0.5 nanometre çapındaki, iç yüzeyleri çok güçlü negatif yüklü olan sodyum kanalları seçici geçirgendir. Sodyum kanallarındaki negatif yükler, su ile kuşatılmadıkları zaman oldukça küçük çaplı olan sodyum iyonlarını diğer fizyolojik öneme sahip iyonlardan daha güçlü çekerler. Sodyum iyonu kanala girince diffüzyon prensiplerine göre bir yöne doğru hareket eder. Bu nedenle, sodyum kanalı özellikle sodyum iyonlarının taşınmasında seçici olarak iş görür.

Protein kanalların bir diğer grubunu potasyum taşınması için özelleşmiş olan potasyum kanalları oluşturur. Potasyum kanalları sodyum kanallarından daha küçüktür ve içleri negatif yüklü değildir. Potasyum kanallarının içi negatif yüklü olmadığından, pozitif yüklü potasyum iyonlarını çekmezler, ayrıca bu iyonların su ile sarılmasını önleyemezler. Sonuçta potasyum iyonları da sodyum iyonları gibi su ile kuşatılır. Fakat su ile kuşatılan potasyum iyonları, su ile kuşatılan sodyum iyonlarından daha küçüktür. Bu nedenle potasyum iyonları küçük kanallardan kolayca geçebildiği halde sodyum iyonları geçemez. Böylelikle özel bir iyon için seçici geçirgenlik durumu tekrar ortaya çıkar.

 

Bu yazının kalıcı bağlantısı http://biyolojidersim.com/1-diffuzyon-basit-diffuzyon-pasif-tasima/

Bir Cevap Yazın

Your email address will not be published.