 |
|
Биологическое значение процессов осмоса.
Осмос.
Для растворов характерен ряд свойств, обусловленных главным образом общим количеством частиц растворенного вещества в растворе. Такие свойства растворов называются коллигативными. Важным в биологическом плане свойством растворов является осмотическое давление растворов. В природе существуют полупроницаемые мембраны, разделяющие растворы различной концентрации. Мембран имеют разный размер пор и способны пропускать через себя частицы (молекулы или ионы) соответствующего размера, то есть мембраны обладают избирательностью (селективностью). Большая часть биологических мембран пропускает через поры ноны неорганических веществ, низкомолекулярные частицы органических веществ, но при этом задерживают крупные молекулы высокомолекулярных веществ – белков, полисахаридов, нуклеиновых кислот, жиров.
Различают мембраны:
• растителького происхождения - оболочка растительной клетки;
• животного происхождения (стенки кишечника);
• искусственные мембраны - керамическая пластинка целофан
Осмос - явление самапроизвольного перехода, то есть диффузии, молекул чистого растворителя через полупроницаемую мембрану из раствора с меньшей концентрацией в раствор с большей концентрацией вещества.
Для возникновения осмоса необходимо наличие полупроницаемой мембраны, разделяющей два раствора с различной концентрацией (рис. осмотической ячейки: сосуд с жидкостью, в нем еще одни сосуд с жидкостью более высокой концентрации закрытый полупроницаемой мембраной).
Заполним сосуд водой, в него поместим вертикальный сосуд, снизу закрытый полупроницаемой мембраной с заполненный жидкостью с более высокой концентрацией солей.
В ситуации существующего в природе стремления всякой системы к возрастанию энтропии и выравниванию свойств начинается процесс самопроизвольного проникновения молекул воды через мембрану из нижнего сосуда в верхний. Это приводит к повышению уровня жидкости в верхнем сосуде. Одновременно возрастает вероятность обратного движения молекул растворителя. В тот момент, когда за единицу времени в двух взаимно противоположных направлениях через, мембрану проникнет равное количество молекул растворителя наступает осмотическое равновесие, характеризующееся нулевым изменением энтропии (∆S=0) и энергии Гиббса (∆G=0), В момент осмотического равновесия уровень жидкости поднимется на максимальное значение (на высоту h) и на полупроницаемую мембрану будет направлено максимальное гидростатическое давление столба жидкости. Давление, которое необходимо приложить к раствору, чтобы прекратить одностороннее проникновение в него молекул чистого растворителя, называется осмотическим давлением раствора. Термодинамическое равновесие, наступающее в момент максимального значения осмотического давления называется осмотическим равновесием раствора. Осмос не является свойством раствора или растворителя. Это явление, возникаюшее в системе при наличии градиента концентрации по обе стороны полупроницаемой мембраны. Теоретическое выражение для расчета величины осмотического давлення введено в 1887г. Вант-Гоффом. Он предположил, что частицы вещества в растворе ведут себя аналогично молекулам газа и в таком же объеме системы, что позволило ему для оценки состояния системы использовать уравнение Менделеева-Клапейрона:
pV=(m/M)RТ
Заменив давление (р) осмотическим давлением раствора π, получим уравнение:
π =(m/(MV))RT; т.к. m/(MV)=c, то π=cRT, где.
π-осмотическое давление раствора, Па, кПа, мПа.
m – масса растворенного вещества, г
M-молярная масса вещества, гмоль-1
V-объём м3
R- универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж мол-1К-1.
Т –температура , К.
Таким образом, осмотическое давление зависит от концентрации вещества в растворе, температуры и не зависит от природы вещества.
Это справедливо только для растворов неэлектролитоав. В растворах электролитов осмотическое давление выше, чем осмотическое давление неэлектролита той же концентрации. Это объясняется тем , что электролит диссоциирует на ионы, то есть общее число частиц в растворе увеличивается. Для учета диссоциации электролита Вант-Гофф ввел понятие изотонического коэффициента электролита (i). Изотонический коэфициент показывает отношение общего числа частиц (молекул и ионов) в рстворе электролита к исходному числу молекул растворенного вещества.(i)=N/N0
Для неэлектролитов N=N0, i=1
Для электролитов N>N0, i>1
Поэтому в уравнении Вант-Гоффа дополнительный множитель π=i c(x)RT
Изотонический коэффициент рассчитывается с учетом степени диссоциации электролита и числа дочерних частиц, т.е. ионов, на которые диссоциируют молекулы электролита:
i=I+α(ν-1),где:
ν- число дочерних частиц;
а- степень диссоциации.
Для электролитов рассчитываем:
NaCl↔Na++Cl-
Это сильный электролит,=>α→1; ν=2
iNaCI= 1+1=2
AlCI3↔Al3+ +3CI-
Это сильный электролит. => α→1; ν=4
iAlCl3 =1+1(4-1)=4
Уравнение Вант-Гоффа для этих электролитов имеет вид:
πNaCl=2cNaClRT
πAlCl3=4cAlCl3RT
Т.о. при условии равенства концентраций и температур, осмотическое давление раствора А1С13 будет в 2 раза выше осмотического давления NаС1, если электролиты диссоциируются одинаковым числом дочерних частиц, то осмотическое давление будет больше в растворе электролита с более высокой степенью диссоциации.
Осмотические давление растворов ВМС.
Осмотическое давление ВМВ имеет ряд особенностей. Каждая молекула ВМВ ведет себя как совокупность нескольких молекул меньшего размера. Это проявляется в увеличении осмотического давления, которое подчиняется уравнению Галлера:
πВМВ=((RT)/M(х))С+βС2, где
πВМВ- осмотическое давление раствора ВМВ, Па,кПа, мПа;
М - молярная масса ВМВ, гмолъ-1,
β- коэффициент Галлера, зависит от формы и гибкости макромолекулы,
С - концентрация, гм м-3,
βС2 - учитывает возрастание величины осмотического давления в растворе ВМВ, если концентрация ВМВнебольшая ,то, следовательно, βС2 стремится к нулю и уравнение Галлерл переходит в уравнение Вант-Гоффа,
R-универсальная газовая постоянная равная 8,314 Дж моль-1 К-1;
Т-температура, К.
Биологическое значение процессов осмоса.
Осмос лежит в основе процессов распределения воды и питательных веществ между органами и тканями и выведения продуктов жизнедеятельности из организма. Механизм осмоса зависит от природы биомембран, что обусловлено сложной структурной организацией, особенно ее поверхностных слоев. Существуют мембраны, проницаемые дли катионов и непроницаемые для анионов. Осмос относительно относительно такой мембраны лежит в основе формирования мембранного потенциала.
В результате диффузии катионов по разные стороны мембраны накапливаются противоположно заряженные частицы. Движение катионов не будет бесконечным, т.к. возрастают силы электростатического притяжения и в момент осмотического равновесия растворы приобретут концентрации е1 и Е2.
Разность потенциалов по обе стороны полупронецаемой мембраны в момент осмотического равновесии определяет величину мембранного потенциала,
Емембр=Е1-Е2
Мембранный потенциал зависит от природы мембраны и концентрации растворов по разные стороны мембраны. Возникновение биопотенциала клетки связано с неравномерным распределением катионов натрия к калия внутри клетки и в менжклеточнонй жидкости. Внутри клетки катионов К+ в 20-40 раз больше чем снаружи, а катионов Nа+ в 10-20 раз больше в межклеточной жидкости, чем внутри клетки, т.е. в клетке ионов всегда больше чем снаружи, и, следовательно, давление внутриклеточной жидкости выше, чем давление в межклеточной жидкости. Это обуславливает тургор клетки, т.е. ее упругость. Благодаря тургору ткани эластичны и органы имеют определенную форму. Осмотический градиент определяет силу, с которой вода всасывается клеткой Он равен разности между осмотическим и тургорным давлением клетки.
Вода избирательно всасывается клеткой, что создаст в ней давление достигающее 4-20 атм. Осмотическое давление плазмы крови характеризуется достаточным постоянством при 370C составляет 740-780 кПа. При изменение давления возникает гипертония и гипотония. Растворы с одинаковым осмотическим давлением называются изотоническими.
С учетом величины осмотического давления растворы классифицируются:
1. Изотонические осмотические растворы. Их давления равны осмотическому давлению, например, плазмы крови. К таким растворам по отношению к плазме крови относятся: NаС1 (физраствор) - 0.85% 4,5-5% глюкозы. Эти растворы применяются внутривенно при больших потерях крови для поддержания ритма сердечной мышцы и общего давления.
2. Гипертонические осмотические растворы. Их осмотические давления больше осмотического давления, например, плазмы крови. К ним относятся по отношению к плазме крови: 20% раствор глюкозы, 10% раствор NаС1. Применяется для дегидратации организмов в случае аллергических оттеков, в небольших дозах при глаукоме, аллергических реакциях.
3. Гипотонические растворы. Их осмотические давления меньше осмотического давления, например, плазмы крови.
Рассмотрим поведение клеток в этих растворах. Если клетка помещена в изотоническую среду, то она сохраняет тургор и все жизненные функции. Если клетку поместить в гипертоническую среду, то вода из клетки устремляется в раствор. В растворе, происходит отслаивание протоплазмы. Клетка сморщивается, наблюдается плазмолиз клетки. Если плазмолизированную клетку поместить в растворитель или гипотоническую среду, то возможен деплазмолиз и клетки восстанавливает тургор и свои функции. Если клетка помещена в гипотонический раствор, то вода диффундирует избирательно в клетку, клетка набухает и может произойти разрыв клеточной оболочки. Это явление называется лизис. Если клеткой выступает эритроцит, то на6людается гемолиз клетки, сопровождающийся выходом гемоглобина во внешний раствор.
Осмотическое давление плазмы крови формируется в основном неорганическими ионами н низкомолекулярными соединениями. Часть осмотического давления крови, обусловленная поступлением в нее высокомолекулярных веществ (главным образом белков), называется онкотичеким давлением крови, его значение не велико - 0, 5% от общего давления крови (2,5-3,9 кПа), но играет большую роль. При потере белков вследствие голодания, нарушения пищеварения, заболевания почек, возникает существенная разница между онкотическим давлением тканевой жидкости и крови. Вода устремляется в сторону высокого давления , т.е. в ткани и возникают онкотические отеки подкожной клетчатки. В таких случаях недопустимо потребление солей, что вызывает еще большее увеличение тканевого давления. Осмотическое давление в организме регулируется, объемом легких, выделением пота, но главным образом почками. Почки отвечают за содержание воды в организме. Проницаемость почечной мембраны для молекул воды зависит от содержания в ней АДГ (антидиуретического гормона). При его недостатке в организме выводится большее количество волы, иногда в 10 раз больше нормы.
Осмос лежит в основе процессов дыхания, усвоения пищи, распределения питательных веществ, выделения продуктов жизнедеятельности и т.д.