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Fenómenos de transporte-Difusão e sedimenração.pptx

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  1. 1. FENÓMENOS DE TRANSPORTE
  2. 2. Difusão Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS 2
  3. 3. A que é devida a difusão? ■ Transporte da matéria, na própria matéria através da movimentação atómica ■ O movimento aleatório das partículas (por exemplo de soluto na solução) é devido: – aos choques entre soluto-soluto e soluto- solvente, – à agitação térmica (transferência de energia cinética às partículas de soluto) Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS 3
  4. 4. Porque se dá a difusão? ■ Se existir uma diferença de concentração de soluto entre duas zonas da solução, existirá uma migração (difusão) do soluto das regiões de > concentração para as regiões de < concentração, até haver igualdade de concentração, nas duas regiões. ■ No equilíbrio, a difusão pára, embora as moléculas de soluto continuem a mover- se. Não há migração porque o gradiente de concentração desaparece. ■ A velocidade com que as moléculas de (gasosas ou líquidas) migram através do ar ou do solvente depende do tamanho e da forma das partículas ■ O parâmetro que descreve esse movimento é chamado Coeficiente de Difusão Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS 4 Movimento do soluto de uma região de maior concentração para outra, de menor concentração
  5. 5. Coeficiente de difusão: Significado – O coeficiente de difusão D: ■ indica a taxa de movimento dos átomos/ moléculas ; ■ Depende da temperatura ■ Cresce exponencialmente com a temperatura Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS 5 D- Coeficiente de difusão efetivo ((m2/s) D0 = Copeficiente independente da temperatura (m2/s) Ea= energia de ativação do processo de difusão (J/mol ou eV/átomo) R = constante dos gases (8,314 J/mol K) T = temperatura absoluta (K) Difusividade
  6. 6. Difusividade mássica ■ Constante de proporcionalidade entre o fluxo de massa e o gradiente de concentração. – representa o grau de “rapidez” com que a difusão ocorre. Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS 6
  7. 7. Coeficientes de difusão MOLÉCULA Meio D (m2/s) Hidrogénio (H2) ar 6.4×10–5 Oxigénio (O2) ar 1.8×10–5 Oxigénio (O2) água 1.0×10–9 Glucose (C6H12O6) água 6.7×10–10 Hemoglobina água 6.9×10–11 DNA água 1.3×10–12 Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS 7
  8. 8. Fatores que afetam a difusão Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS 8
  9. 9. Difusão em estado estacionário Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS 9
  10. 10. Movimento das partículas: Distância média das partículas ■ A difusão é um processo lento para distâncias macroscópicas ■ A distância média que as partículas se movimentam é igual a: ■D= coeficiente de difusão ■t= tempo que as partículas demoram a migrar Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS 10 Dt xmédia 2 
  11. 11. A relação de Einstein ■Relação de Einstein – mostra o tempo médio necessário para que as moléculas de soluto migrem, de um ponto para outro. Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS A relação de Einstein diz-nos  qual a distância média que uma molécula difundirá / tempo  o tempo de difusão aumenta com o quadrado da distância sobre a qual ocorre a difusão 11 Dt xmédia 2 
  12. 12. Difusão: Como medir a difusão? ■ Através do FLUXO DE DIFUSÃO Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS Admita que as moléculas em solução atravessam uma seção com 1cm2 de área, num plano. 12 Fluxo (J) – quantidade de soluto que se difunde através da unidade de área, por unidade de tempo, na direção x direção x
  13. 13. Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS 13
  14. 14. Para os mais curiosos: Como determinar o coeficiente de difusão J = velocidade de transferência do material/ área efetiva do disco poroso Determinação da área efetiva do disco por calibração com substância com D conhecido Velocidade de transferência do material (mol s-1 ou g s-1) medida usando um marcador radioativo. Disco de vidro poroso de espessura x (separa 2 soluções com diferentes concentrações Medir a quantidade de material que é transferido, através da unidade de área /tempo Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS             1 2 c c x J D J = cm-2 s-1 ou g cm-2 s-1 C2, C1 = mol cm-3 ou g cm-3 x = cm D = cm2 s-1 14
  15. 15. Um exemplo de difusão em estado estacionário ■ A difusão de Na+ através da membrana celular. ■ Se a concentração de Na+ intracelular for 50 g/m3 e a concentração extracelular for 200 g/m3 , o coeficiente de difusão for 2x10-9 m2/s e a espessura da parede celular for 30 nm, qual é a velocidade de transporte de sódio através da membrana? ■ Assuma que as concentrações em ambos os lados da membrana são constantes com o tempo e que o fluxo é estacionário. Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS 1 2 9 3 3 2 9 0 , 10 10 30 50 200 10 2              s gm m m g m g s m J dx dc D J 15
  16. 16. Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS 16
  17. 17. Transporte através das membranas Aplicação da Lei de Fick Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS 17
  18. 18. Vejamos o que ocorre ao nível da membrana celular ■ Membrana Celular – Estrutura elástica que circunda toda a célula ■ Estrutura – Camada lipoproteica – Barreira à passagem de água e solutos hidrossolúveis (camada lipídica) – Proteínas. “poros” ■ Membrana separa o líquido intracelular no interior da célula do líquido extracelular Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS 18
  19. 19. Tipos de transporte através das membranas Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS Substancias solúveis sem carga Substancias com carga (iões) Substancias polares com tamanho >8 A° 19
  20. 20. Transporte Ativo : Explo ■ Ocorre contra o gradiente de concentração com gasto de energia (ATP). ■ Explo: BOMBA DE Na+ e K+ ■ É decorrente da diferença de concentração entre os iões sódio e potássio no interior e exterior da célula. ■ CONCENTRAÇÃO DE Na+ ( MAIOR NO MEIO EXTRACELULAR) ■ CONCENTRAÇÃO DE K+ (MAIOR NO MEIO INTRACELULAR) ■ PROTEÍNA CARREADORA: ATPase Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS 20
  21. 21. Fatores que afetam a velocidade de transporte ■ Concentração ■ Massa molecular ■ Distância ■ Área de secção ■ Temperatura – e…. – Permeabilidade da bicamada lipídica Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS 21
  22. 22. Liposolubilidade da substância ■ Como traduzir? – Coeficiente de partição (K) ■ O que representa? – partição da substância entre membrana/água ■ Como se define? – O coeficiente de partição é a medida da afinidade relativa da substância para os lípidos versus água agua memb C C K  Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS 22
  23. 23. Conceito de permeabilidade ■ O núcleo hidrófobo de uma membrana celular típica é cerca de 100 - 1000 vezes mais viscoso que a água  – a taxa de difusão das substâncias através da membrana é muito mais lenta do que a taxa de difusão da mesma molécula em água ■ Assim, o movimento através bicamada lipídica de uma membrana é o passo limitante da velocidade na difusão passiva de moléculas através de membranas celulares. Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS 23
  24. 24. Consideremos a difusão passiva ■ Considere a difusão passiva de pequenas moléculas através de uma membrana lipídica de espessura “x” e área “A” ■ A membrana separa duas soluções com concentração C1aq e C2aq. Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS Modelo simples para a difusão passiva de uma molécula hidrofóbica diretamente através da bicamada lipídica de espessura x (cm) e de área A (cm2) 24
  25. 25. Velocidade de difusão na membrana ■ A velocidade de difusão é dada pela lei de Fick modificada Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS x C A D V m   undo) (moles/seg (fluxo) dt dn J V     m m membrana m m membrana m m membrana C C K C KC KC C C C C 2 1 2 1 2 1              x C C A D x C C A D x C A D V m m m m m m m 2 1 1 2        25
  26. 26. Velocidade de difusão na membrana ■ Então: Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS   x C C K AD J aq aq m 2 1 (fluxo)   C1aq = conc. do soluto na zona de maior concentração C2aq = conc. do soluto na zona de menor concentração Dm= coeficiente de difusão no interior da membrana x = espessura da membrana A= superfície da membrana 26
  27. 27. Coeficiente de permeabilidade     aq aq aq aq m C C P J ou x C C K D J 2 1 2 1     Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS x K D P donde m  O gráfico de fluxo versus diferença de concentração é uma linha reta cujo declive se designa por coeficiente de permeabilidade (P) P (cm/seg) O coeficiente de permeabilidade depende:  do coeficiente de difusão na membrana (Dm)  do coeficiente de partição, membrana/água (K)  da espessura da membrana Coeficiente de permeabilidade 27
  28. 28. Difusão simples e facilitada ■ Porque é que na difusão facilitada a velocidade de difusão atinge um máximo? – Porque os carreadores das moléculas ficam saturados Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS 28
  29. 29. SEPARAÇÃO DE MISTURAS Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS 29
  30. 30. FILTRAÇÃO SEDIMENTAÇÃO CENTRIFUGAÇÃO
  31. 31. Filtração, sedimentação e centrifugação ■Movimento de fluidos através de meios porosos FILTRAÇÃO ■Movimento de partículas através de fluidos estacionários: ■ SEDIMENTAÇÃO: separação induzida pela ação da gravidade ■ CENTRIFUGAÇÃO: separação induzida por ação de forças centrífugas Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS 31 Pode ser usado para separar macromoléculas  (ULTRACENTRIFUGAÇÃO)
  32. 32. Sedimentação: num campo gravitacional g m g m mg Fd                1 Peso Impulsão 32 Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS
  33. 33. Sedimentação: num campo gravitacional ■Contrapõe-se ao movimento a força de atrito fv F  f g m v g m fv                         1 1 F= 33 - coeficiente de fricção v- velocidade terminal Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS
  34. 34. Movimento direto em solução, induzido por um campo externo ■ Se medirmos a velocidade de movimento produzida por uma força: – Pode- se determinar O COEFICIENTE DE FRIÇÃO – Pode-se determinar O COEFICIENTE DE SEDIMENTAÇÃO Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS 34 Característicos das partículas
  35. 35. Sedimentação por ação de um campo centrífugo: Centrifugação ■ Centrifugação – movimento de uma partícula por ação de um campo centrífugo Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS 35 Técnica usada para separar purificar analisar  espécies celulares (proteínas, ácidos nucleicos, cromossomas, mitocôndrias)  polímeros
  36. 36. Centrifugação de material biológico por ação de um campo centrífugo ■ Quanto mais densa é uma estrutura biológica, mais rápido ela sedimenta ■ Quanto mais pesada é uma partícula biológica, mais rápido ela se move ■ Quanto maior o coeficiente de fricção, mais lentamente uma partícula se moverá ■ Quanto maior for a força centrífuga, mais rápido as partículas sedimentam ■ A velocidade de sedimentação de uma determinada partícula será zero quando a densidade da partícula e o meio circundante são iguais. Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS 36 A velocidade de sedimentação depende do campo centrifugo aplicado (G)
  37. 37. ■ Campo Centrifugo aplicado – É determinado pela distância radial , r, da partícula , desde o eixo de rotação (em cm) e o quadrado da velocidade angular ( 2) do rotor (em radianos por segundo) ■ G = ω 2 × r ■ A velocidade angular média de um corpo rígido que gira em torno de um eixo fixo é definida como a razão do deslocamento angular num determinado intervalo de tempo ■ ω = 2π rad × rpm ■ Por isso o campo centrífugo pode ser expresso por: ■ G = 4π 2 rad 2 × rpm 2 × r Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS 37 rpm- velocidade do rotor (rotações por minuto) Atenção : rpm = 60 min –1 = 1 s –1
  38. 38. Sedimentação: diferentes velocidades de rotação Estado inicial Alta velocidade de rotação Baixa velocidade de rotação 38 Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS
  39. 39. Na ausência de difusão (alta velocidade de rotação) Perfil de sedimentação 39 Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS
  40. 40. Havendo difusão…..(baixa velocidade de rotação) Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS 40 Perfil de sedimentação
  41. 41. Determinação dos coeficientes de sedimentação e de difusão por ultracentrifugação analítica Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS 41 Aplicando uma força centrífuga (Fc) que provoque um movimento de rotação à partícula, com uma frequência angular de , ela é fortemente acelerada e atinge rapidamente a velocidade terminal A velocidade terminal atinge-se quando as forças envolvidas ficarem balanceadas Ftotal = Fd + Fb + Fc = 0
  42. 42. Sedimentação: numa ultracentrífuga Ftotal = Fd + Fb + Fc = 0 42 Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS
  43. 43. Sedimentação: numa ultracentrífuga ■Num campo centrífugo, a partícula será acelerada até que a força centrífuga seja balanceada pela força de fricção. ■Relembre: ■Então: ■O que é m0? – Volume de líquido deslocado x densidade 0 2 0 2     rm m r fv      v m m0 Ftotal = Fd + Fb + Fc = 0 43 Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS
  44. 44. Sedimentação: numa ultracentrífuga ■ Substitua na equação anterior o m0 : ■ Colocar os parâmetros moleculares de um lado e os parâmetros experimentais do outro   0 0 2    fv m m r  0 2 0 2     rm m r fv      v m m0 44 Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS coeficiente de sedimentação
  45. 45. Coeficiente de sedimentação Definição f v m x w v s t            1 2 Como s depende das propriedades da solução, os valores medidos de s, devem ser convertidos para as condições padrão, (temperatura é 20°C e o solvente é a água) (para poderem ser comparáveis para diferentes moléculas) S20,w (Svedberg) 1s = 10-13segundos 45 Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS
  46. 46. Coeficiente de Sedimentação: unidades Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS 46   s s cm s cm s   2 / / Svedberg de e Coeficient Avogadro nº ) ( molecular massa M 1 2               s N N m f N v M x w v s A A A t 
  47. 47. Significado de S (coeficiente de sedimentação) ■ O coeficiente de sedimentação é a distância (cm) percorrida pela molécula, durante 1 segundo, sob efeito de uma força de 10-2 N kg-1 , no solvente água, a 293 K. ■ S depende: ■ a) Propriedades moleculares da molécula. ■ m - massa molecular ■  - volume específico parcial ■ ƒ– forma da molécula ■ b) Propriedades da solução. ■  - massa volúmica da solução ■  - viscosidade (porque ƒ depende de ) 47 Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS
  48. 48. Equação de Svedberg: relação do coeficiente de sedimentação com a massa molecular ■ Sabendo que:           _ 1  D RTs M Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS 48 D kT f           _ 1  A N M kT D s Relaciona o coeficiente de sedimentação (s) com a massa molecular da partícula (em Daltons) 1 dalton = 1,66053x 10 -27 Kg.
  49. 49. Determinação do coeficiente de sedimentação ■ O valor de S deve ser extrapolado a uma diluição infinita por forma a obter parâmetros molecularmente significativos ■ Métodos para o determinar: – Método da velocidade de sedimentação – Método do equilíbrio de sedimentação – Método da sedimentação em gradiente de densidade 49 Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS
  50. 50. MÉTODO DA VELOCIDADE DE SEDIMENTAÇÃO
  51. 51. Método da Velocidade de sedimentação: permite calcular  Coeficiente de sedimentação  Coeficiente de difusão (se os componentes sedimentados são bem preparados)  Massa efetiva dos componentes do soluto  Formato das partículas (assimetria)  Homogeneidade e estados de agregação  Constantes de associação e estequiometria Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS 51  Em condições experimentais diversas!!!!  Sem interferências externas!!!!
  52. 52. Determinação de S pelo método da velocidade de sedimentação ■ Passo 1 Deteção por dispersão de luz Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS 52
  53. 53. ■ Passo 2 Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS 53 Determinação de S pelo método da velocidade de sedimentação
  54. 54. Ao fim de algum tempo…. 54 Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS
  55. 55. ■ Passo 3 ■ Passo 4 55 Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS Determinação de S pelo método da velocidade de sedimentação
  56. 56. Determinação de S pelo método da velocidade de sedimentação Se em vez de log usar ln ) ( 1 2 declive S   Nota: r (distância) equivale a x1/2 56 Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS
  57. 57. RELAÇÃO ENTRE O COEFICIENTE DE SEDIMENTAÇÃO E A MASSA MOLECULAR DE PROTEÍNAS Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS 57
  58. 58. FORMA, MASSA E DENSIDADE DE PROTEÍNAS VS COEFICIENTE DE SEDIMENTAÇÃO Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS 58
  59. 59. Limitações ao método  Dispersão das zonas limite (difusão radial)  Difusão e sedimentação são duas formas de transporte do soluto  A sedimentação gera gradiente, a difusão opõe-se a esse efeito Dificuldade de separar componentes em misturas complexas Necessita de equipamento caro 59 Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS
  60. 60. Dispersão de zonas (difusão radial) ■ Consequência da forma das células de sedimentação ■ A Difusão radial : observada através da redução do “plateau” nos sucessivos scans da absorvência ■ Todas as moléculas difundem na mesma extensão provocando uma redução na densidade ótica observada. Para um dado tempo, esta difusão é igual em todos os pontos da célula Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS 60
  61. 61. Efeito da difusão na sedimentação Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS 61
  62. 62. Espalhamento de zonas: Difusão Vs Heterogeneidade ■1- Sistema com 1 componente (bandas espalham-se devido à difusão) ; aspeto sigmoidal) ■2- Sistema 3 componentes (degraus definem os perfis de cada componente); perdem definição quando aumenta a difusão ■3-Sistema multicomponente ou monocomponente? ( não é possível concluir); necessárias análises complementares Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS 62 Dificuldade de separar componentes em misturas complexas
  63. 63. Como obviar essas limitações? ■ Centrifugação em Gradiente de Concentração Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS 63
  64. 64. A TÉCNICA Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS 64
  65. 65. Velocidade de sedimentação em gradiente de concentração: vantagens e desvantagens ■ Limitações: – não é exata a medida da massa molecular das partículas ■ Vantagens: – resolução completa dos componentes de uma mistura – relativamente barata Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS 65
  66. 66. EM BIOLOGIA MOLECULAR VÃO OUVIR FALAR Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS 66
  67. 67. Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS 67 Usa as diferentes velocidades de sedimentação das partículas, de diferentes tamanhos e densiidades Rate- Zonal centrifugation Isopycnic centrifugation
  68. 68. MÉTODO DO EQUILÍBRIO DE SEDIMENTAÇÃO
  69. 69. Método do Equilíbrio de sedimentação ■ Velocidade de sedimentação moderada ■ Ao fim de algum tempo atinge-se o equilíbrio entre a sedimentação e difusão; resulta a distribuição do soluto ao longo da célula ■ O método permite calcular: – Massa molecular das partículas – Estado de associação das partículas – Constantes de formação dos complexos Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS 69  Não há transporte efetivo  Não há influência da forma das partículas
  70. 70. Equilíbrio de sedimentação ■Distribuição das moléculas num campo gravitacional ou centrífugo após atingir o equilíbrio ■O balanço entre a força de sedimentação numa dada direção e o efeito aleatório da difusão origina um gradiente de concentração; a concentração no fundo do tubo é maior. ■O gradiente de concentração depende: – da massa molecular das moléculas Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS 70
  71. 71. Equilíbrio de sedimentação ■ Informação termodinâmica ■ Sedimentação  gradiente de concentração  difusão ■ Equilíbrio de gradiente de concentração: sedimentação é exatamente balanceada pela difusão (moléculas exponencialmente distribuídas ao longo da célula) Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS 71 f x m v dx dc D c v t t 2 1 0              dx dc D J c v J dif t sed   
  72. 72. Equilíbrio de sedimentação   2 1 2 2 2 1 2 1 2 ln x x M RT c c                     X= distância desde o cimo do tubo até à banda C= concentração das moléculas na banda X1C1 X2C2 X 72 Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS
  73. 73. Equilíbrio de sedimentação           1 2 2 M RT  Calcular M através do declive Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS 73 Nota: Este método não necessita da determinação de D Ln c X2 Declive =
  74. 74. Equilíbrio de sedimentação: permite calcular  Massa / peso molecular  Homogeneidade em relação ao peso molecular  Estados de agregação  Estequiometria e constantes de equilíbrio para processos de associação 74 Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS
  75. 75. Em RESUMO…….   2 2 ln 1 2 dr c d v RT M        D s RT v M    1 75 Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS
  76. 76. Centrifugação: aplicações ■ Ciências Ambientais – Tratamento aguas residuais ■ Ciência Molecular – Extração de biomoléculas (DNA, RNA, proteínas) ■ Pesquisa médica – Separação de diferentes componentes de fluidos biológicos (urina, sangue, etc) ■ Ciência Química – Ajuda no processo de enriquecimento do urânio ■ Ciência dos alimentos – Ajuda na produção de leite desnatado Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS 76
  77. 77. Física Aplicada 2022/23 |MICF | FFUP | MCBS 77 https://www.youtube.com/watch?v=mQM-C-Qvsjo&feature=emb_title

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