Физические законы лежащие в основе тонических растворов

Как мы уже отмечали, среда, осмотическое давление которой равно осмотическому давлению внутри клетки, называется изотонической. В такой среде вода не поступает в клетку и не выводится из клетки. Среда, осмотическое давление которой меньше осмотического давления внутри клетки, называется гипотонической. В такой среде вода поступает через мембрану внутрь клетки. Клетка без стенки в такой среде раздувается и может лопнуть. Если у клетки есть стенка, то клетка давит на стенку, но не лопается. Среда, осмотическое давление которой больше осмотического давления внутри клетки, называется гипертонической. В такой среде вода выходит через мембрану из клетки, и клетка сжимается [3].

Если ввести в человеческий организм гипотонический раствор, то клетки крови будут лопаться, а если ввести гипертонический раствор, то клетки крови будут сжиматься. Изотонические растворы — водные растворы, изотоничные плазме крови.

Рисунок 1. Действие тонических растворов на клетки крови.

В основе этих явлений лежат физические законы диффузии и осмоса, на них мы остановимся более подробно.

Для начала рассмотрим свойства биологических мембран. Биологические мембраны представляют собой "ансамбли" липидных и белковых молекул, удерживаемых вместе с помощью нековалентных взаимодействий.

Основу мембраны составляет двойной липидный слой,в формировании которого участвуют фосфолипиды и гликолипиды. Липидный бислой образован двумя рядами липидов, гидрофобные радикалы которых спрятаны внутрь, а гидрофильные группы обращены наружу и контактируют с водной средой. Белковые молекулы как бы "растворены" в липидном бислое (рисунок 2) [15,с.227].

Рисунок 2. Поперечный разрез плазматической мембраны.

Любая молекула может пройти через липидный бислой, однако скорость пассивной диффузиивеществ, т.е. перехода вещества из области с большей концентрацией в область с меньшей, может сильно отличаться. Для некоторых молекул это занимает столь длительное время, что можно говорить об их практической непроницаемости для липидного бислоя мембраны. Скорость диффузии веществ через мембрану зависит главным образом от размера молекул и их относительной растворимости в жирах.

Легче всего проходят простой диффузиейчерез липидную мембрану малые неполярные молекулы, такие как О₂, стероиды, тироидные гормоны, а также жирные кислоты. Малые полярные незаряженные молекулы – СО₂, NH₃, Н₂О, этанол, мочевина – также диффундируют с достаточно большой скоростью. Диффузия глицерола идёт значительно медленнее, а глюкоза практически не способна самостоятельно пройти через мембрану. Для всех заряженных молекул, независимо от размера, липидная мембрана непроницаема. Транспорт таких молекул возможен благодаря наличию в мембранах либо белков, формирующих в липидном слое каналы (поры), заполненные водой, через которые могут проходить вещества определённого размера простой диффузией, либо специфических белков-переносчиков, которые избирательно взаимодействуя с определёнными лигандами, облегчают их перенос через мембрану. Кроме пассивного транспорта веществ, в клетках есть белки, активно перекачивающие определённые растворённые в воде вещества против их градиента, т.е. из меньшей концентрации в область большей. Этот процесс, называемый активным транспортом,осуществляется всегда с помощью белков-переносчиков и происходит с затратой энергии.

Рассмотрим более подробно понятие «диффузия».

Диффузия - процесс взаимного проникновения молекул или атомов одного вещества между молекулами или атомами другого, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму. В некоторых ситуациях одно из веществ уже имеет выравненную концентрацию и говорят о диффузии одного вещества в другом. При этом перенос вещества происходит из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией (вдоль вектора градиента концентрации) (рисунок 3).

Рисунок 3. Выравнивание концентрации вещества при диффузии.

Эти процессы описываются законами А.Фика.[29] Рассмотрим их более подробно.

Поток диффузии – направленное движение частиц в сторону уменьшения их концентрации. Поток диффузии возникает за счет большего числа перескоков частиц в прямом направлении по сравнению с обратным. Первый закон А. Фика выражает экспериментально наблюдаемую пропорциональность между градиентом концентрации i-ых частици соответствующим потоком диффузии J

где направление x всегда совпадает с направлением диффузии, т.е.

Для одномерной (линейной, плоской) диффузии

Второй закон Фика вытекает из первого закона при учете закона сохранения вещества :

Если система, разделенная мембраной, представляет собой растворы, в которых через мембрану способны проходить только молекулы растворителя, то свойства ее будут определяться разностью мольных долей (концентраций) растворителя по обе стороны мембраны.

Представим, что сосуд с двумя горлами для залива раствора разделен мембраной M (рисунок 4). В каждую часть сосуда зальем растворы, отличающиеся только концентрацией. Поскольку мольные доли растворителя по обе стороны мембраны не совпадают, то стремление их к выравниванию приведет к переходу части растворителя в ту часть сосуда, где концентрация растворенного вещества больше. Увеличение количества растворителя эквивалентно возрастанию давления, и если мембрана способна к деформации, она изогнется в сторону с меньшей концентрацией растворенного вещества (рисунок 4а).

Если мембрана жесткая, то в отсеке с большей концентрацией количество растворителя будет возрастать до тех пор, пока гидростатическое давление h (рисунок 4б) не станет равным осмотическому давлению и не прекратит осмос.

Рисунок 4. Схема разности осмотических давлений при χ₁<χ₂ при эластичной (а) и жесткой (б) мембранах.

Осмотическое давление π – внутреннее давление растворенного вещества, численно равное тому внешнему давлению, которое нужно приложить, чтобы прекратить осмос; оно зависит от температуры и концентрации.

Эту зависимость Вант-Гофф уподобил поведению идеального газа:

πV=RT

По Вант-Гоффу осмотическое давление раствора численно равно тому газовому давлению, которое имело бы растворенное вещество, будучи переведенным в газообразное состояние в том же объеме и при той же температуре. Поскольку объем (разбавление) обратно пропорционален концентрации, то закон Вант-Гоффа можно записать в виде:

π=CRT

Законы Рауля и принцип Вант-Гоффа не выполняются для растворов (даже бесконечно разбавленных) электролитов.[23] Для учета этих отклонений Вант-Гофф внес в уравнение для растворов электролитов поправку – изотонический коэффициент:

π=iCRT

Изотонический коэффициент для растворов электролитов всегда больше единицы, причем с разбавлением раствора i возрастает и стремится к некоторому целочисленному значению. Обобщая экспериментальные данные, Вант-Гофф пришел к выводу, что растворы электролитов всегда ведут себя так, будто они содержат больше частиц растворенного вещества, чем следует из аналитической концентрации: повышение температуры кипения, понижение температуры замерзания и осмотическое давление для них всегда больше, чем вычисленные. Кровь, лимфа, а также все тканевые жидкости живых организмов являются водными растворами органических и минеральных соединений, и ионов. В общем виде осмотическое давление составляет сумму осмотических давлений минеральных веществ растворённых в биологических жидкостях и онкотическим давлением создаваемая высокомолекулярными компонентами раствора [10,с.243].

Онкотическое давление

Онкотическое давление - коллоидно-осмотическое давление, доля осмотического давления, создаваемая высокомолекулярными компонентами раствора. В плазме крови человека составляет лишь около 0,5 % осмотического давления (3-4 кн/м²,или 0,03-0,04 атм). Тем не менее онкотическое давление играет важнейшую роль в образовании межклеточной жидкости, первичной мочи и др.Стенка капилляров свободно проницаема для воды и низкомолекулярных веществ, но не для белков. Скорость фильтрации жидкости через стенку капилляра определяется разницей между онкотическим давлением белков плазмы и гидростатическим давлением крови, создаваемым работой сердца. На артериальном конце капилляра солевой раствор вместе с питательными веществами переходит в межклеточное пространство. На венозном конце капилляра процесс идёт в противоположном направлении, поскольку венозное давление ниже онкотического давления. В результате в кровь переходят вещества, отдаваемые клетками. При заболеваниях, сопровождающихся уменьшением концентрации в крови белков (особенно альбуминов), онкотическое давление снижается, и это может явиться одной из причин накопления жидкости в межклеточном пространстве, в результате чего развиваются отёки.

Кровь, лимфа, а также все тканные жидкости живых организмов являются водными растворами органических и минеральных соединений, и ионов. Им свойственно определенное осмотическое давление. Осмотическое давление крови человека достаточно постоянно, при 309,75К оно достигает 0,74-0,78 МПа. Ему соответствует осмолярная концентрация растворенных в плазме веществ, которая составляет 0,287-0,0303 кг/м3. Осмотическое давление крови обуславливает растворенная в ней небольшая часть ионов. Высокомолекулярные соединения, зачастую белки (альбумины, глобулины), составляют половину процента общего давления крови. Эту часть осмотического давления называют онкотическим давлением, величина которого достигает 3,5-3,9 кПа.[9,с.123] Постоянность осмотического давления в крови регулируется выделением паров воды при дыхании, работой почек, выделением пота и т.д. Онкотическое давление имеет важное значение для жизнедеятельности организма. Понижение содержания белка в крови (гипопротеиномия, голодание, нарушение деятельности пищеварительного тракта, потеря белка с мочой при заболевании почек) вызывает разницу в онкотическом давлении в тканных жидкостях и крови. Вода стремится в сторону большего давления (в ткани); возникают так называемые онкотические отеки подкожной клетчатки ("голодные" и "почечные" отеки). При оценке состояния и лечении больных учет осмоонкотических явлений имеет огромное значение .