Раздел 2. Методические указания по изучению отдельных тем дисциплины

1. Методические указания по разделам курса

“Физколлоидная химия и биохимия сельскохозяйственных животных”

Часть I.

2.1.1. Физическая и коллоидная химия.

Изучение основ физколлоидной химии и биохимии необходимо проводить в соответствии с программой курса. Надо твердо помнить, что рассматриваемые физико-химические реакции, процессы и явления постоянно протекают во всех клетках, тканях организма и определенными образом влияют на жизнедеятельность, защитные силы и продуктивность животных.

Под этим углом зрения необходимо уяснить следующие темы:

2.1.1.2. Осмос и осмотическое давление.

Осмотические явления в живых системах играют важную роль в процессах метаболизма и связаны с различной проницаемостью плазматических мембран клеток тканей и органов организма животных для воды и растворенных веществ.

Осмотическое давление выявляется при отделении раствора от чистого растворителя полупроницаемой перегородкой (мембраной), пропускающей молекулы растворителя и не пропускающей частицы растворенного вещества (без затраты энергии). Свойством полупроницаемости обладают стенки кишечника, мочевого пузыря, поверхностные растительные мембраны, пергаментная бумага, осадочная мембрана из железистосинеродистой меди.

В этом случае наблюдается явление односторонней диффузии или осмоса – молекулы растворителя проникают через мембрану в раствор, объем которого при этом увеличивается, а концентрация уменьшается.

Процесс осмоса происходит также при разделении полупроницаемой мембраной двух растворов неодинаковой концентрации. Растворитель при этом перемещается из раствора с меньшей концентрацией в раствор с большей концентрацией.

В обоих случаях возникает давление частиц на полупроницаемую перепонку, которое называется осмотическим. Вант-Гофф выявил глубокое сходство между состоянием вещества в растворе и газовым состоянием и установил законы осмотического давления, применив законы термодинамики и молекулярно-кинетическую теорию газов:

1-й закон, выражающий зависимость осмотического давления от концентрации раствора, указывает, что осмотическое давление вещества в разбавленном растворе прямопропорционально молярной концентрации при постоянной температуре в постоянном объеме.

2

1

-й закон: осмотическое давление вещества в разбавленном растворе прямопропорционально абсолютной температуре при постоянной концентрации в постоянном объеме. Эта зависимость показывает, что при повышении температуры на 1^о C при постоянной концентрации и в постоянном объеме, осмотическое давление раствора увеличивается на 273 от первоначальной величины, что надо учитывать в работе с животными клетками.

3-й закон: величина осмотического давления зависит от числа частиц растворенного вещества и не зависит от природы растворенных веществ. Осмотическое давление одномолярного раствора при 0^о С (Т = 273^о) в объеме 1 л равно 22,4 атм.

Р=CRT=10,082273=22,4 атм,

где P – осмотическое давление;

С – молярная концентрация;

R – коэффициент пропорциональности, численно равный газовой постоянной = 0,082 л-атм/градус;

T – абсолютная температура.

4-й закон указывает, что осмотическое давление смешанного раствора равно сумме парциальных давлений веществ, составляющих этот раствор.

P = P₁+P₂+P₃…P_n

Существуют различные способы определения осмотического давления. Часто его определяют с помощью осмометра по показаниям гидростатического давления, которое вычисляется по формуле: P = h, где:

h – высота поднятия раствора по трубке осмометра, (см);

 - плотность раствора, (г/см³), или по понижению температуры замерзания раствора. Растворы замерзают при более низкой температуре, чем чистый растворитель. Понижение температуры замерзания раствора зависит от концентрации раствора и от природы растворителя и не зависит от природы растворенного вещества. Для любых растворов неэлектролитов одного и того же растворителя, содержащих одну грамм-молекулу растворенного вещества на 1000 г растворителя, понижение температуры замерзания одинаково. Эта величина называется криоскопической константой растворителя. Криоскопическая константа воды = 1,86^о.

1,86^о

t^o 22,4атм

P = , где

t^o – депрессия раствора (понижение температуры замерзания раствора).

Надо четко знать, что каждая клетка животного организма содержит в цитоплазме растворенные вещества (белки, липиды, углеводы, минеральные вещества и др.), оказывающие на плазматическую мембрану осмотическое давление, которое обеспечивает тургор клетки, нормальный режим физиологических процессов и метаболизма. Осмотическое давление плазмы крови и эритроцитов человека и животных в норме равно 7,7 – 8,1 атмосфер при 37^о С.

Механизм действия осмотического давления на клетки проявляется через различные по величине осмотического давления растворы, которые бывают по отношению к цитоплазме клеток гипо-, изо- и гипертоническими.

Растворы, имеющие осмотическое давление меньшее, чем в клетке, называются гипотоническими. При этом давление веществ клеточного раствора на мембрану выше, чем давление окружающего клетку раствора. Выравнивание концентраций клеточного и окружающего клетку растворов, а, следовательно, и давление на оболочку клетки происходит за счет движения воды внутрь клетки из внешнего раствора.

В результате этих явлений клетки увеличиваются в объеме, что приводит к большей или меньшей растянутости их оболочек, то есть повышенному напряжению. Если раствор, в который помещена клетка, сильно гипотонический, то много воды поступает в клетку и ее оболочка чрезмерно растягивается и может разорваться, а клетка погибнуть. Гибель клеток под действием гипотонического раствора называется лизис, что в переводе с латинского означает разрыв, распад. Соответственно, разрушение клеток мышц, печени, спермиев под влиянием гипотонического раствора называют миолиз, гепатолиз, спермолиз. При гемолизе, то есть гибели клеток крови, выходящий из эритроцитов в раствор сложный железосодержащий белок гемоглобин придает раствору специфический блестящий красный цвет, схожий с перламутровым лаком. Поэтому гемолизированная кровь называется лаковой.

С гипотоническими растворами надо работать осторожно, так как через чрезмерно растянутую оболочку клеток в них могут как более легко проникать, так и выходить из них разные вещества, что, естественно, нелучшим образом отражается на жизнедеятельности клеток. В этом случае оболочка клеток как бы утрачивает в некоторой степени способность контроля за движением молекул разных веществ через свои каналы. Кроме того, сильно гипотонические растворы, введенные в больших количествах внутривенно, способны вызвать гибель животного вследствие массового разрушения клеток его крови. В то же время с помощью этих растворов или дистиллированной воды в научных лабораториях разрушают клетки разных тканей и изучают их химический состав.

Изотонический раствор имеет равное с клеточным раствором (цитоплазма) осмотическое давление. В таком растворе на оболочку клетки оказывается осмотическое давление изнутри и снаружи и она растянута и напряжена оптимально. Такой раствор может быть приготовлен из разных веществ, в том числе даже из тех, которые не содержатся в клетках. Этот раствор способен только обеспечить целостность клеток и сохранить их естественную форму, но он не всегда может поддержать их жизнь. Изотоническим раствором по отношению к клеткам крови является 0,8 – 0,9 % раствор NaCl.

С изотоническим раствором связано понятие физиологический раствор. Им называют раствор, который по виду, количеству и соотношению веществ сходен с клеточным раствором, благодаря чему он имеет равные с ним осмотическое давление и рН. При наличии равной с клеточным раствором температуры он способен сохранить не только целостность и форму клеток, но и обеспечить их жизнедеятельность даже вне организма в течение длительного времени.

Примером таких растворов являются, в частности, разбавители спермы, кровозаменители, среды для выращивания клеток вне организма.

И, наконец, гипертонический раствор. Он имеет осмотическое давление больше, чем внутриклеточное давление. При помещении в него клеток он, в противоположность гипотоническому раствору, вызывает выход из них воды (экзосмос) до тех пор, пока осмотическое давление изнутри и снаружи клетки на ее оболочку будет одинаковым. Вследствие уменьшения объема внутриклеточного раствора клетки сморщиваются. Это называется плазмолизом. Последний приводит к деформации клеток, уплотнению их оболочки и нарушению жизнедеятельности. Сильно гипертонический раствор может вызвать разрушение оболочки клеток и их гибель. Однако если из состояния плазмолиза клетки могут быть возвращены в норму при перемещении их в воду или гипотонический раствор, то гемолиз необратим.

Осмотическое давление играет большую роль в организме животных. Благодаря ему все клетки, органы и ткани находятся в состоянии тургора, то есть их оболочка оптимально растянута. Это способствует нормальному и целенаправленному протеканию химических реакций в них, обмену клеток с окружающей средой, всасыванию питательных веществ в пищеварительном тракте и выделению экскретов (конечные продукты) через почки, потовые железы и другие образования, а также равномерному распределению усвоенных веществ и воды по организму.

В регуляции осмотического давления, поддержании его в норме участвуют почки, потовые, молочные и слезные железы, пищеварительная и дыхательная системы. Основной механизм регуляции осмотического давления, направленный на поддержание постоянной его величины, заключается в том, что избыток воды и веществ удаляется из организма, а при их недостатке выделение замедляется. Кроме того, в регуляции осмотического давления весьма интенсивно задействованы внутриклеточные анаболические и катаболические процессы.

В практике животноводства обязательно учитывают осмотическое давление при работе с кровяными, половыми и соматическими клетками. Так, изотонические растворы вводят внутривенно при кровопотерях, обезвоживании организма, например, при диспепсии. Гипертонические растворы используют в качестве слабительных при скоплении пищевых масс в желудке и кишечнике, а также для оттягивания содержимого из гнойных ран и их очищения. Физиологические жидкости применяют для разбавления спермы животных при искусственном осеменении и работе с клетками, тканями и органами, взятыми из организма.