3.5. Дифузія та осмос

Процес розчинення речовин завжди супроводжується дифузією - самочинним вирівнюванням концентрації речовини у розчині, що зумовлене тепловим рухом частинок розчиненої речовини та розчинника. Розчинена речовина при розчиненні рівномірно розподіляється по всій масі (об’єму) розчинника. Цей процес відбувається доти, поки не настане стан рівноваги:

АВ↔АВ

У рідинах внутрішнього середовища організму людини дифузія відіграє значущу роль. Так, однією з найважливіших функцій біологічних мембран є регуляція транспорту поживних речовин і продуктів обміну між тканинними рідинами та клітинами, що забезпечується саме завдяки процесу дифузії. При цьому, дифузія протікає із області більшої концентрації в область меншої. Наприклад, концентрація йонів К⁺ всередині еритроцитів приблизно в 35 разів вище, ніж в плазмі крові. Для йонів Na⁺, навпаки, позаклітинна концентрація приблизно в 15 разів вище, ніж всередині клітини. Для підтримки градієнтів концентрації йонів К⁺ і Na⁺ через плазматичну мембрану йони К⁺ повинні постійно транспортуватися із зовнішнього середовища, де їх концентрація вище, всередину клітини, де їх концентрація нижче. Йони Na⁺ навпаки, транспортуються із внутрішнього середовища клітин, де концентрація їх вище, у зовнішнє середовище, де концентрація йонів Na⁺ нижче.

Процес дифузії широко застосовується в медичній практиці, фармацевтичній промисловості, зокрема, для підвищення фільтраційної функції нирок та при виготовленні лікарських речовин. Так, метод діалізу, що призначають при лікуванні хронічної ниркової недостатності, заснований на вибірковій дифузії низькомолекулярних речовин через напівпроникну мембрану. При цьому частинки високо-молекулярних сполук не проходять через напівпроникну мембрану. В зв’язку з цим, метод діалізу також застосовують при очистці рідин внутрішнього середовища організму від шлаків, зокрема, сечовини, сечової кислоти, білірубіну, амінів, надлишку йонів К⁺ тощо.

В організмі людини можливе явище з однобічною дифузією, коли мембрани живих клітин пропускають одні частинки і не пропускають інші. Односторонній перехід молекул розчинника через напівпроникну мембрану з розчину з меншою концентрацією в розчин з більшою концентрацією, або з розчинника в розчин з певною концентрацією називається осмосом. Розглянемо явище осмосу на прикладі розчинення цукру у воді (мал.10). У воронку, знизу закриту напівпроникною мембраною, помістили розчин цукру у воді (1) до рівня а. Лійку опустили в стакан з водою. Через деякий час спостерігається, що в лійці рівень розчину підніметься до рівня b. Отже, відбувається односторонній перехід молекул розчинника (води) із стакана через напівпроникну перетинку в лійку.

b

ф

a

1 – розчин цукру у воді

2 – розчинник вода

3-напівпроникна перетинка

Мал. 10. Схематичне зображення приладу для дослідження осмосу

Тиск, який виникає внаслідок однобічної дифузії розчинника у розчині, називають осмотичним тиском.

! З’ясуйте, що називають осмометрію та які прибори використовують для виміру осмотичного тиску.

Внутрішньоклітинний тиск, що виникає в організмі людини, зумовлює тургор клітин, тобто міцність і пружність тканин. Зміни осмотичного тиску рідин внутрішнього середовища організму людини можуть бути досить значними. Наприклад, при запальних процесах відбувається розпад білків, як наслідок, збільшується кількість структурних частинок у вогнищі запалення й значно підвищується в ньому осмотичний тиск, який спричиняє виникнення набряків внаслідок локального відтоку води з навколишніх тканин. Кров, лімфа та інші рідини внутрішнього середовища організму людини мають сталий осмотичний тиск, приблизно 8·10⁵ Па при температурі 37 °С. Такий самий осмотичний тиск має 0,9% розчин натрій хлориду NaCl.

! Згадайте, якими властивостями характеризується 0,9% розчин натрій хлориду NaCl

Розчини, що мають однаковий осмотичний тиск, називають ізотонічними або ізоосмотичними. Однією з основних вимог до ряду лікарських форм (очні краплі, інфузійні розчини тощо) є їх ізотонічність внутрішньоклітинним рідинам організму людини. У більш розбавлених розчинах (гіпотонічних) клітини набрякають і лопаються (явище лізису). Наприклад, еритроцити, поміщені в гіпотонічний розчин, руйнуються й забарвлюють його в червоний колір (явище гемолізу). У концентрованих розчинах (гіпертонічних) клітини зморщуються (явище плазмолізу). У медичній практиці широко застосовують гіпертонічні розчини, наприклад, при лікуванні пацієнтів з артеріальною гіпертензією, яка супроводжується порушенням мозкового кровообігу, для внутрішніх ін’єкцій призначають 40% розчин глюкози С₆Н₁₂О₆. У хірургії широко застосовують гіпертонічні пов’язки — марлю, змочену в гіпертонічному розчині натрій хлориду NaCl накладають на рани, при цьому ранова рідина рухається назовні по марлі, а рана очищується від мікроорганізмів, гною тощо.

Явище осмосу покладено в основу розроблення осмотичних терапевтичних систем різних конструкцій із регульованим виділенням лікарських речовин, які знайшли застосування в медицині. За допомогою таких систем можна вводити (перорально чи іншим способом) ліки, які мають протизапальну, судинорозширювальну, жарознижувальну чи іншу дію. В хімічній промисловості осмос застосовується в мембранних процесах розділення речовин для одержання надчистої води, очищення стічних вод, рідких радіоактивних відходів, опріснювання морської води тощо. У фармацевтичній і мікробіологічній промисловості осмос використовується в технологічному циклі при виробництві та виділенні поверхнево-активних речовин (ПАР), антибіотиків, гормонів, вітамінів, вакцин, ферментів тощо.