Stofftransport Flashcards
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Stofftransport - Grundlagen
Fast alle Prozesse in biologischen Systemen finden in wässriger Lösung statt. In einer Lösung ist jedes einzelne Molekül oder Ion von Lösungsmittel umhüllt.
(Eine trübe Flüssigkeit, in der kleine Feststoffbröckchen schweben, ist keine Lösung! Hierbei handelt es sich entweder um Suspensionen (Gemisch aus Feststoff und Flüssigkeit) oder um Kolloide (kleine Feststoffpartikel, die in der Flüssigkeit fein verteilt sind).)
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Die Menge eines gelösten Stoffes kann auf mehrere Weise angegeben werden.
- Molarität (Stoffmengenkonzentration): c = n gelöster Stoff/V Lösungsmittel
Einheit: mol/L
c = Stoffmengenkonzentration, n = Anzahl der Teilchen in Mol, V = Volumen
- Molalität: b = n gelöster Stoff/m Lösungsmittel
Einheit: mol/kg
b = Molalität, n = Anzahl der Teilchen in Mol, m = Masse
- Aktivität
Hat gleiche Eigenschaften wie die Stoffmengenkonzentration
Wird für reale Mischungen verwendet
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! Die Molarität ist die normale Stoffmengenkonzentration in Teilchen pro Volumen Lösungsmittel, die Molalität ist eine Konzentration in Teilchen pro Masse Lösungsmittel!
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Diffusion
Diffusion ist die Selbstdurchmischung einer Lösung, also die Verteilung eines gelösten Stoffs im Lösungsmittel. Damit ist es ein Phänomen des Stofftransports.
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Diffusion
- Ursache: Ungerichtete, zufällige thermische Teilchenbewegung
(Daraus folgt, dass der Stofftransport durch Diffusion schneller wird, je wärmer es ist.)
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Diffusion
- Fick’sches Gesetz: Der Teilchenfluss ist proportional zur Größe des Konzentrationsgefälles und diesem entgegen gerichtet
(Wird in eine Schale mit Wasser ein Tropfen blaue Tinte gegeben, so kann man beobachten, wie sich die Farbe langsam in der ganzen Flüssigkeit ausbreitet, auch wenn man die Lösung nicht von außen in Bewegung setzt (rühren, schütteln, schwenken etc.). Dieser Prozess ist die Diffusion der Farbmoleküle aus dem Tintetropfen “heraus” in die umgebende Flüssigkeit. Die Triebkraft ist das Konzentrationsgefälle der Farbmoleküle, deren Konzentration in der Umgebung Null und im Tintetropfen sehr hoch ist.)
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Diffusion
Wirkung
- Teilchen diffundieren vom Ort der höheren Konzentration zum Ort der niedrigeren Konzentration
- Je größer das Konzentrationsgefälle, desto stärker der Teilchenstrom
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Diffusion
Nernst’scher Verteilungskoeffizient:
Beschreibt die Lösung eines Stoffes in zwei nicht miteinander vermischbaren Phasen (z.B. Wasser und Öl, oder Wasser und Ether)
- Formel: K = c(A in Phase 1) / c(A in Phase 2)
- K = Verteilungskoeffizient, c = Konzentration des Stoffes A
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! In einem abgeschlossenen System bewirkt Diffusion langfristig einen kompletten Abbau von Konzentrationsunterschieden!
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Diffusion durch Membranen
Diffusion tritt nicht nur ungehindert in Lösungen auf, sondern kann auch durch Membranen hindurch ablaufen, wenn diese durchlässig, also “permeabel” sind.
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Diffusion durch eine Membran: D = P × A × Δc
(Diese Formel leitet sich vom 2. Fick‘schen Gesetz ab)
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! Auch einige Stoffe, für die eine Membran nicht permeabel ist, können durch sie hindurch “diffundieren”, wenn Transporter wie Carrier oder Kanäle dabei helfen. Man spricht in diesem Fall von erleichterter Diffusion. Bei dieser Art der Diffusion ist die Zahl der Transporter ausschlaggebend für die Stärke des Teilchenstroms und die Diffusionsgleichung gilt nicht mehr!
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Osmose:
Diffusionsphänomen an semipermeablen (d.h. teilweise durchlässigen) Membranen, bei dem ein Konzentrationsausgleich durch Diffusion nur erreicht werden kann, wenn Wassermoleküle vom Ort niedrigerer Konzentration zum Ort höherer Konzentration eines gelösten Stoffes fließen
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Osmolarität/osmotische Konzentration:
Osmotische Konzentration bezogen auf das Volumen einer Lösung
(Analog zur Molarität wird hier die Konzentration der für den osmotischen Druck verantwortlichen Teilchen als Stoffmengenkonzentration angegeben.)
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Osmolalität: Osmotische Konzentration bezogen auf die Masse einer Lösung
(Analog zur Molalität wird hier die Teilchenanzahl in Bezug auf die Masse des Lösungsmittels angegeben.)
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Osmotischer Druck:
Druck zweier Lösungen unterschiedlicher Konzentration, die durch eine semipermeable Membran getrennt sind
(Der Osmotische Druck geht also von den gelösten Teilchen aus, die nicht durch die Membran diffundieren können.)
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Osmotischer Druck:
Formel:
p osmotisch = σ×c×R×T (Diese Gleichung wird auch Van’t-Hoffsches Gesetz genannt.)
(Der osmotische Druck ist dementsprechend proportional zur Konzentration der Teilchen: Je höher die Konzentration der Teilchen auf der einen Seite der Membran ist, umso höher ist der osmotische Druck und damit auch die Diffusion von Wasser zum Konzentrationsausgleich. Während der Ausgleichsbewegung nimmt der osmotische Druck ab, bis er schließlich im Konzentrationsgleichgewicht bei null liegt.)
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Osmotischer Druck
- Onkotischer Druck: Osmotischer Druck eines Kolloids in Lösung
(Feststoffpartikel, die in einer Flüssigkeit fein verteilt sind, nennt man ein Kolloid.)
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Osmotischer Druck
- Reflexionskoeffizient σ:
Beschreibt die Selektivität einer Membran für einen gelösten Stoff
(D.h. wie dicht die Membran für diesen Stoff ist)
- σ=0: Membran ist völlig durchlässig
- σ=1: Membran ist völlig undurchlässig
(Der Reflexionskoeffizient σ kann auch Werte zwischen Null und Eins annehmen. Je näher der Wert bei Null liegt, umso leichter können gelöste Substanzen die Membran passieren. Physiologisch vereinfacht man die Betrachtung einer Membran aber oft auf die Extremfälle Eins und Null.)
– Semipermeable Membran:
Ist für das Lösungsmittel Wasser durchlässig, aber für alle gelösten Stoffe nicht (σ=1)
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Osmose um Zellen
Biologische Membranen sind semipermeabel, daher ist die Osmose ein wichtiges und immer wieder auftretendes Phänomen in der Medizin. Der Strom von Wassermolekülen zu Orten mit hoher Konzentration an gelösten Stoffen hat Konsequenzen für Zellen und ganze Gewebe.
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Tonizität:
Maß für einen Gradienten des osmotischen Drucks
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Isotonisch: Osmotischer Druck ist gleich dem umgebenden Druck
Beispiel: Wird eine Zelle in ein isotones Medium gegeben, dann passiert nichts
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Hypertonisch: Osmotischer Druck ist größer als der umgebende Druck
Beispiel: Wird eine Zelle in ein hypertonisches Medium gegeben, dann strömt Wasser aus und die Zelle schrumpft
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Hypotonisch: Osmotischer Druck ist kleiner als der umgebende Druck
Beispiel: Wird eine Zelle in ein hypotones Medium gegeben, dann strömt Wasser in die Zelle ein; im Extremfall kann die Zelle platzen
(Daher ist auch die Zufuhr von destilliertem Wasser – insbesondere in Form von Infusionen – unbedingt zu vermeiden!)
- Schutzmechanismus: Der Kalium-Chlorid-Symporter transportiert K+-Ionen und Cl–Ionen aus der Zelle hinaus und verringert so den osmotischen Druck, damit es nicht zur Lyse kommt
