Осмос и осмотическое давление

Осмотическое давление - это важное коллигативное свойство живых систем. Коллигативными называются свойства растворов, зависящее только от концентрации растворенного вещества, но не от его химической структуры. Осмотическое давление появляется в случае разделения двух растворов мембраной, непроницаемой для растворенных веществ. Чтобы продемонстрировать роль полупроницаемой мембраны в создании осмотического давления, представим, что 1,0 М водный раствор сахарозы осторожно подслоен под 0,01 М водный раствор сахарозы. В этом случае будет происходить суммарная диффузия молекул воды из раствора с низкой концентрацией сахарозы в раствор с ее высокой концентрацией и диффузия сахарозы в обратном направлении. Если эти же два раствора поместить в сообщающиеся сосуды, разделенные только жесткой мембраной, которая пропускает молекулы воды, но не сахарозы, то молекулы воды по-прежнему будут диффундировать из раствора, в котором их концентрация больше (0,01 М раствор сахарозы), в 0,1 М раствор, где концентрация воды меньше. Сахароза же диффундировать не сможет, так как мембрана для нее не проницаема. В результате будет происходить диффузия воды через мембрану. Такое движение воды вдоль ее концентрационного градиента называется осмосом. В результате осмоса, уровень жидкости в сосуде с большей концентрацией сахарозы, будет повышаться до тех пор, пока гидростатическое давление в этом сосуде не станет достаточным для выталкивания молекул воды в направлении против градиента концентрации с той же скоростью с какой заставляет ее двигаться осмос. Осмотическим давлением раствора называют то наименьшее давление, которое необходимо приложить к раствору для того, чтобы предотвратить перетекание к нему растворителя через полупроницаемую мембрану.

Осмотическое давление, которое обозначается греческой буквой π пропорционально не только концентрации С (количество молей растворенного вещества в 1 л воды), но и абсолютной температуре Т.

π = nRT/V = RTC

где n - число молей растворенного вещества, R - коффициэнт пропорцианальности, называемый газовая постоянная (0,082 л атм/моль град), V - объем в литрах.

1 молярный раствор идеального компонента (т.е. такого у которого частицы не диссоциируют и не ассоциируют) при стандартной температуре (0˚С) покажет осмотическое давление 22,4 атм. Поскольку коллигативные свойства зависят от суммарного количества растворенных частиц, приходящихся на единицу объема растворителя, осмотическое давление 10 мМ раствора NaCl (электролита диссциирующего при такой концентрации на 90%) и 20 мМ раствора сахарозы почти эквивалентны. Чтобы учесть эффект диссоциации растворенных молекул осмотические свойства раствора в физиологии часто характеризуют величиной осмолярность. 1 Осмоль соответствует 6,022 ^. 10²³ растворенных в растворе частиц. Для недиссоциирующего вещества один осмоль равен одному молю, а осмолярность - молярности. Осмолярность плазмы крови и внутренней среды организма в целом составляет в норме около 300 мосмоль/л. Два раствора, в которых создается одинаковое осмотическое давление, называются изоосмотическими. Если же в одном из растворов осмотическое давление меньше то он называется гипоосмотическим, а в противном случае - гиперосмотическим по отношению к другому. Все растворы, содержащие в единице объема одинаковое количество частиц, являются изоосмотическим. Перемещение воды между двумя растворами, разделенными идеальной мембраной (т.е. пропускающей только воду) будет всегда направлено от гипоосмотического раствора к гиперосмотическому. Однако биологические мембраны не являются идеальными и в той или иной степени проницаемы для различных ионов. Если мембрана разделяет два изоосмотичных раствора различных веществ, например, NaCl и KCl и при этом пропускает, например только ионы К⁺, эти ионы перемещаясь по концентрационному градиенту в раствор содержащий первоначально NaCl сделают его гиперосмотичным, что в свою очередь приведет к перемещению воды от раствора KCl к раствору NaCl. Сказанное можно проиллюстрировать следующим примером. Эритроциты крови не меняются в объеме, будучи помещенные в раствор NaCl, изоосмотичный плазме крови, но набухает в растворе мочевины, также изоосмотичном плазме. Это различие обусловлено значительно более высокой способностью мочевины проникать и накапливаться во внутренней среде эритроцитов по сравнению с NaCl. В результате, по мере нагружения клетки мочевиной в нее под действием осмотического давления проникает все больше молекул воды, она набухает и может даже разрушиться. Для характеристики осмотического влияния конкретных растворов на конкретные живые клетки или ткани, используется понятие тоничность. Тоничность не является количественным параметром, а определяется экспериментально по реакции клеток или тканей на погружение их в исследуемый раствор. В отличие от осмотического давления, тоничность раствора зависит не только от концентрации растворенного вещества, но и от скорости его проникновения внутрь клеток. Осмотичность раствора и его тоничность совпадают только в том случае если растворенное вещество плохо проникает в клетки или ткани (V_{проникновения} = 0). Раствор называется изотоническим по отношению к данной клетке или ткани, если клетка или ткань, погруженные в него не набухают и не сжимаются. Если ткань набухает, раствор называют гипотоничным по отношению к ткани, а если сжимается, то гипертоничным. Таким образом, об изотоничности, гипотоничности и гипертоничности имеет смысл говорить лишь по отношению конкретной системе: раствор-живые клетки (или ткань). Свойство изотоничности особенно важно учитывать при приготовлении растворов для внутривенных инъекций, в противном случае может произойти набухание и лизис эритроцитов (гемолиз). Обычно при внутривенных инъекциях лекарственный препарат вводят в изотоническом для клеток крови 0,9% растворе NaCl на дистиллированной воде, получившем название физиологический раствор. Поддержание постоянства осмотического давления является одним из важнейших элементов гомеостаза, как организма в целом, так и составляющих его систем. На клеточном уровне осмотический гомеостаз поддерживается благодаря активному транспорту и функционированию мембранных насосов, откачивающих из клетки ионы натрия и обеспечивающих поддержание осмотического равновесия между цитозолем и внеклеточной жидкостью. В норме содержимое клеток незначительно гиперосмотично по отношению к внеклеточной среде, что обеспечивает небольшое внутриклеточное давление или тургор, поддерживающий форму клеток. Нарушение (ингибирование) активного транспорта ведет к возрастанию внутриклеточной концентрации натрия, внутриклеточное содержимое становится сильно гиперосмотично по отношению к внешней среде. В клетку начинает интенсивно поступать вода, что ведет к набуханию, деформации клетки и даже разрыву клеточной мембраны. В случае эритроцитов такой процесс получил название осмотический гемолиз. На уровне организма важную роль в поддержании осмотического или водно-электролитного гомеостаза играют специальные осморецепторы, способные определять существующее в организме и его составляющих осмотическое давление и почки, через которые выделяются из организма, как избыток воды, так и постоянно накапливающиеся осмоактивные вещества. В среднем за сутки почками выводится около 1200 мосмоль различных соединений и примерно 1 л воды. Еще около 900 мл воды в течение суток испаряется с поверхности кожи и выделяется через легкие с выдыхаемым воздухом. Основными источниками поступление воды в организм является питьевая вода и напитки (примерно 800 мл), вода в составе твердой пищи (примерно 900 мл) и вода образующаяся как продукт окисления питательных веществ (300 мл). Относительное содержание воды в организме в норме колеблется в пределах ± 0,22 %. Так как тело человека примерно на 70 % состоит из воды, то такое колебание составляет примерно 150 мл. Потеря жидкости, превышающая 150 мл, вызывает чувство жажды и стремление пить воду, причем адоптации к этому чувству не происходит. Различают несколько видов жажды. Гиперосмотическая жажда вызывается абсолютной потерей воды, например при сильном потоотделении, или ее относительным дефицитом после употребления соленой пищи. В этом случае возрастает осмомолярность внеклеточной жидкости, что приводит к выходу воды и осмотическому сжатию клеток центральных осморецепторов, расположенных в отделе ЦНС и сигнализирующих о недостатке воды в организме. При уменьшении общего объема жидкости, без изменения ее осмотической концентрации, например при донорской сдаче крови, развивается гиповолемическая жажда. В этом случае о нарушении водно-солевого баланса в организме сигнализирует другой тип рецепторов.

Мембранный потенциал.

Разность электрических потенциалов (в вольтах или мв) между жидкостью, находящейся по одну сторону мембраны и жидкостью по другую ее сторону называется мембранным потенциалом (МП) и обозначается Vм. Величина МП живых клеток составляет обычно от -30 до -100 мв и вся эта разность потенциалов создается в областях непосредственно прилегающих с обоих сторон к клеточной мембране. Уменьшение величины МП называют деполяризацией, увеличение - гиперполяризацией, восстановление исходного значения после деполяризации - реполяризация. Мембранный потенциал существует во всех клетках, но в возбудимых тканях (нервных, мышечных, железистых), мембранный потенциал или как его еще называют в этих тканях, мембранный потенциал покоя, играет ключевую роль в реализации их физиологических функций. Мембранный потенциал обусловлен двумя основными свойствами всех эукариотических клеток: 1) асимметричным распределением ионов между вне- и внутриклеточной жидкостью, поддерживаемым метаболическими процессами; 2) Избирательной проницаемостью ионных каналов клеточных мембран. Чтобы уяснить себе как возникает МП представим себе, что некий сосуд разделен на два отсека мембраной, проницаемой только для ионов калия. Пусть в первом отсеке содержится 0,1 М, а во втором 0,01 М раствор КСl. Поскольку концентрация ионов калия (К⁺) в первом отсеке в 10 раз выше, чем во втором, то в начальный момент на каждые 10 ионов К⁺ диффундирующих из отсека 1 во второй будет приходится один ион диффундирующий в обратном направлении. Так как анионы хлора (Сl-) не могут переходить через мембрану вместе с катионами калия, то во втором отсеке будет образовываться избыток положительно заряженных ионов и, напротив, в отсеке 1 окажется избыток ионов Сl-. В результате возникает трансмембранная разность потенциалов, препятствующая дальнейшей диффузии К⁺ во второй отсек, поскольку для этого им нужно преодолеть притяжение отрицательных ионов Сl-, в момент вхождения в мембрану со стороны отсека 1 и отталкивание одноименных ионов на выходе из мембраны в отсек 2. Таким образом, на каждый ион К⁺, проходящий через мембрану в этот момент действуют две силы - химический градиент концентраций (или химическая разность потенциалов), способствующая переходу ионов калия из первого отсека во второй, и электрическая разность потенциалов, заставляющая ионы К⁺ двигаться в обратном направлении. После того как эти две силы уравновесятся, количество ионов К⁺ перемещающееся из отсека 1 в отсек 2 и обратно сравняется, установится электрохимическое равновесие. Соответствующая такому состоянию трансмембранная разность потенциалов называется равновесным потенциалом, в данном конкретном случае равновесным потенциалом для ионов калия (Ек). В конце 19 века Вальтер Нернст установил, что равновесный потенциал зависит от абсолютной температуры, валентности диффундирующего иона и от отношения концентраций данного иона по разные стороны мембраны:

E_x =

где Ех- равновесный потенциал для иона X, R - универсальная газовая постоянная = 1,987 кал/(моль град), T- абсолютная температура в градусах Кельвина, F - число Фарадея = 23060 кал/в, Z - заряд переносимого иона, [X]¹ и [X]² - концентрации иона в отсеках 1 и 2.

Если перейти от натурального логарифма к десятичному, то для температуры 18˚С и моновалентного иона можно записать уравнение Нернста следующим образом:

Ех= 0,058 lg

Рассчитаем с помощью уравнения Нернста калиевый равновесный потенциал для воображаемой клетки, приняв, что внеклеточная концентрация калия [К⁺]н= 0,01 М, а внутриклеточная - [К⁺]в = 0,1 М:

Ек= 0,058 lg = 0,058 lg =0,058 (-1) = -0,058 ‚= -58 мв

В данном случае, Екотрицателен, поскольку ионы калия будут выходить из гипотетичной клетки, заряжая отрицательно слой цитоплазмы, прилегающий к внутренней стороне мембраны. Поскольку в данной гипотетичной системе имеется только один диффундирующий ион, то калиевый равновесный потенциал будет равен мембранному потенциалу (Ек= Vм).

Приведенный механизм ответственен и за образование мембранного потенциала в реальных клетках, но в отличие от рассмотренной упрощенной системы, в которой через "идеальную" мембрану мог диффундировать только один ион, реальные клеточные мембраны пропускают в той или иной все неорганические ионы. Однако, чем менее мембрана проницаема для какого-либо иона, тем меньшее влияние он оказывает на МП. Учитывая это обстоятельство, Голдманом в 1943г. было предложено уравнение для расчета величины МП реальных клеток, учитывающее концентрации и относительную проницаемость через плазматическую мембрану всех диффундирующих ионов:

Vм = 0,058 lg

Используя метод меченых изотопов, Ричард Кейнс в 1954 г. определил проницаемость клеток мышц лягушки для основных ионов. Оказалось, что проницаемость для натрия примерно в 100 раз меньше, чем для калия, а ион Сl-не вносит никакого вклада в создание МП. Поэтому для мембран мышечных клеток уравнение Голдмана можно записать в следующем упрощенном виде:

Vм = 0,058 lg

Vм = 0,058 lg

Исследования с применением вводимых в клетки микроэлектродов, показали, что потенциал покоя клеток скелетных мышц лягушки колеблется от -90 до -100 мв. Такое хорошее соответствие экспериментальных данных теоретическим подтверждает, что потенциал покоя определяется диффузионными потоками неорганических ионов. При этом, в реальных клетках мембранный потенциал близок к равновесному потенциалу иона, который характеризуется максимальной трансмембранной проницаемостью, а именно к равновесному потенциалу иона калия.

Лекция 3

Основы биоэнергетики.