6. Дифузія та осмос. Осмотичний тиск
розчинів.
Дифузія – це самочинний процес вирівнювання концентрації речовини у всьому об’ємі розчину, зумовлений тепловим рухом частинок розчиненої речовини і розчинника.
Дифузія відбувається із розчину більшої концентрації розчиненої речовини у розчин з меншою концентрацією цієї речовини. Дифузія відіграє важливу роль у життєдіяльності організмів і є одним із механізмів пасивного перенесення речовин крізь клітинні мембрани.
Дифузія залежить від природи мембрани, її проникності, концентрацій речовин по обидві сторони мембрани.
Але проникнення заряджених іонів крізь мембрани залежить не тільки від концентраційного, але й від електрохімічного градієнта мембрани, тобто взагалі відбувається за електрохімічним градієнтом. У біологічних системах проникнення речовин може здійснюватись у напрямку, протилежному градієнту концентрації. Можуть дифундувати як нейтральні частинки (молекули, атоми), так і заряджені (іони, електрони), але дифузія останніх залежить не тільки від різниці їх концентрацій, а й від електричних полів. Саме дифузія іонів є причиною виникнення біопотенціалів.
Для біології та медицини важливою колігативною властивістю розчинів є осмос (від грецького osmos – поштовх, тиск). Крізь напівпроникну мембрану, яка розділяє два розчини з різними концентраціями або чистий розчинник і розчин відбувається самодовільний перехід розчинника.
Односторонню дифузію молекул розчинника крізь напівпроникну мембрану з розчину меншої концентрації у розчин більшої концентрації називають осмосом.
Властивість напівпроникності мають тваринні та рослинні мембрани, а також штучні пористі полімерні плавки, наприклад плівки з колодію, целофану, желатини.
Для виникнення осмосу необхідно розчини різних концентрацій привести в контакт через напівпроникну мембрану. У цьому випадку розчинена речовина не можу дифундувати крізь мембрану. Щодо розчинника, то він може переміщуватися в обох напрямках, але ж більш молекул буде переходити в розчин з більшою концентрацією.
У результаті осмосу збільшується об’єм розчину, і його концентрація поступово знижується. Збільшення об’єму розчину призводить до збільшення стовпа рідини з боку розчину, тобто підвищується гідростатичний тиск. Приладом для вимірювання осмосу є осмометрична комірка або осмометр. Збільшення тиску викличе зростання кількості молекул води, що переміщуються крізь мембрану з розчину в розчинник.. Поступово гідростатичний тиск і розведення розчину досягнуть величин, при яких кількість молекул розчинника, що переміщується в обох напрямках зрівняється, і наступить осмотична рівновага. Надлишковий гідростатичний тиск, що виникає в результаті осмосу і припиняє односторонню дифузію, дорівнює осмотичному тискові.
Осмотичний тиск – зовнішній тиск на розчин, при якому встановлюється осмотична рівновага (крізь напівпроникну мембрану) між розчином і чистим розчинником.
7. Біологічне значення осмосу і
осмотичного тиску.
Відомо, що всі біологічні рідини є водними розчинами багатьох мінеральних і органічних речовин. Вони мають певний осмотичний тиск, який підтримується на відносно сталому рівні. Так, для плазми крові людини цей показник дорівнює 770 – 821 кПа (7,6 – 8,1 атм). Близько 60% осмотичного тиску створюють наявні у ній іони натрію і хлору, а значно меншу його частину зумовлюють білки. Тиск, що створюється високомолекулярними біологічно активними сполуками, називають онкотичним тиском. Він становить менше 0, 5% від загального осмотичного тиску. Онкотичному тиску належить основна роль у механізмі надходження води у кров із тканинної рідини.
Завдяки тому, що стінки клітин мають властивості мембран, розподіл води в тканинах залежить від осмотичного тиску. Зокрема, стан осмотичної напруженості клітини, зумовлений підвищеним осмотичним тиском, називають тургором. Він забезпечує пружність та еластичність тканин. У рослин засушливих місцевостей осмотичний тиск високий, а у болотних рослин – порівняно низький. Якщо клітина відмирає, оболонка втрачає властивість напівпроникності, тургор зникає (рослина в’яне).
Вода проникатиме в клітину доти, поки різниця осмотичного тиску між клітиною та середовищем не стане рівна нулю, або поки гідростатичний тиск у клітині, який збільшується в результаті набрякання клітини і розтягнення її оболонки, не зрівняється з осмотичним тиском.
У процесі регуляції осмотичного тиску в організмі людини беруть участь органи виділення, головним чином нирки і потові залози. Завдяки їх фізіологічній дії вода, що надходить в організм, і продукти метаболізму виводяться із сечею та потом, не спричинюючи суттєвих змін осмотичного тиску.
Розчини з однаковим осмотичним тиском називають ізотонічними. Якщо осмотичний тиск одного розчину більший ніж іншого, то перший розчин є гіпертонічним відносно до другого, а якщо менший – то гіпотонічним.
Якщо молярна концентрація розчину має теж саме значення, що і молярна концентрація рідин тіла людини, то такий розчин буде ізотонічним. Прикладом може бути фізіологічний розчин (0,9%, або 0,15М) розчин NаCl (ізотонічний розчин). Крім того, використовують різні багатокомпонентні фізіологічні розчини, зокрема Рінгера, Зінгера-Локка, Тироде тощо. Вони за своїм хімічним складом наближаються до плазми крові і містять іони Натрію, Калію, Кальцію, Магнію, Хлору, гідрогенкарбонат-іони, дигідрогенфосфат-іони, глюкозу. Такі розчини знаходять застосування в хірургії як замінники крові, а також для культивування клітин і тканин. Їх можне вводити у плазму крові в досить великих кількостях при втратах крові і плазми. Також їх застосовують як дифузні розчини, очні краплі та ін. Цікаво, що їх якісний склад подібний до складу морської води. При хірургічних операціях витягнуті з черевної порожнини петлі кишок та інші внутрішні органи захищають від висихання, обкладаючи їх марлевими серветками, змоченими фізіологічним розчином.
Високоорганізовані тварини і людина мають постійний осмотичний тиск крові, що не залежіть від зовнішнього середовища. Навіть невеликі зміни осмотичного тиску викликають відчуття дискомфорту. Так, почуття спраги зумовлене потребою організму відновити нормальний осмотичний тиск введенням води, після уживання солоної їжі. Сталість цього показника називають ізоосмією. Порушенні ізоосмії виявляється згубним для організму. Зниження осмотичного тиску введенням великого надлишку води або в результаті інтенсивної втрати солей викликає блювоту, судороги, затемнення свідомості та інші порушення, аж до загибелі організму. Підвищення ж осмотичного тиску шляхом додавання великих кількостей солей призводить до перерозподілу води. Вода накопичується в тих тканинах, які мають надлишкові кількості солей, що призводить до їхнього набрякання (у першу чергу підшкірної клітковини), при цьому відбувається зневоднення слизових оболонок, виникає почуття спраги, порушується нормальна діяльність нервової системи й інших життєво важливих органів. Отже, збереження постійного осмотичного тиску є важливою властивістю організму.
Проте зміни осмотичного тиску в обмежених ділянках тканин можуть бути досить великими. Так, при локальних запаленнях білкові молекули розпадаються на багато дрібних фрагментів, що збільшує концентрацію частинок в області запалення. Вода з оточуючих тканин і судин спрямовується в цю область, що призводить до набряків. Загальновідоме відчуття тиску в місці гнійного запалення. При проколі або розрізі гнійна рідина витікає звідтіля струменем під значним тиском.
У клінічній практиці застосовуються і гіпертонічні розчини. Невеликі кількості їх вводять внутрішньовенно, наприклад при глаукомі, яка характеризується підвищеним внутрішньоочним тиском, щоб «відтягнути» надлишкову кількість вологи з передньої камери ока. Щоб не порушити осмотичну рівновагу крові, ін’єкцію гіпертонічних розчинів, наприклад, глюкози (з масовою часткою 20%, 40%), проводять дуже повільно, найчастіше крапельним шляхом.
У хірургії широко застосовують гіпертонічні пов’язки у вигляді марлевих смужок, змочених у гіпертонічному розчині NаCl і введених у гнійні рани. Відносно до законів осмосу рідина з рани направляється до марлі, що сприяє постійному очищенню рани від гною, мікроорганізмів, продуктів розпаду тощо.
Гіпертонічні розчини гіркої солі (MgSO4·7 Н2О), глауберової солі (Nа2SO4·10 Н2О), які погано всмоктуються в шлунково-кишковому тракті, використовують як проносні засоби. Це викликає перехід значної кількості рідини зі слизової оболонки в кишечник. Калові маси, що знаходяться в кишечнику, розріджуються і легко виходять з організму.