2017-05-27 21:02:39
Осмос – диффузия растворителя через полупроницаемые мембраны из области с высокой ее концентрацией в область с низкой.
Осмотическое давление (обозначается π) – избыточное гидростатическое давление на раствор, отделённый от чистого растворителя полупроницаемой мембраной, при котором прекращается диффузия растворителя через мембрану (осмос).
Полупроницаемая мембрана – мембрана, разделяющая две жидкие или газообразные фазы, обеспечивающая под действием движущей силы выборочный перенос компонентов этих фаз (способна пропускать молекулы растворителя и низкомолекулярных соединений, и не пропускать молекулы растворенных веществ).
Тургор – состояние эластичной напряженности клеточной стенки, обусловленное внутренним давлением жидкости.
Гипертонический раствор – раствор, осмотическое давление которого выше нормального.
Гипотонический раствор – раствор, осмотическое давление которого ниже нормального.
Изотонический раствор – раствор, осмотическое давление которого равно нормальному.
Мембрана клетки представляет собой комплекс липидных и белковых молекул, удерживаемых вместе с помощью нековалентных взаимодействий. Стоит отметить, что на сегодняшний день принята жидкостно-мозаичная модель мембранной структуры (предложена Сингером и Хилсоном). Это означает, что мембрана является подвижной, «текучей» структурой и большинство входящих в ее состав молекул способны перемещаться в плоскости мембраны.
Основная структура мембраны – липидный бислой, который и создает относительно непроницаемый барьер для большинства водорастворимых молекул. В нем как бы заякорены белковые молекулы.
(По положению в мембране выделяют монотипические белки, которые взаимодействуют только с одной поверхностью мембраны и не пересекают ее, битопические – пронизывают мембрану насквозь и взаимодействуют с обеими ее поверхностями, и политопические – те, которые пронизывают мембрану несколько раз. Тогда, очевидно, что монотипические белки будут относиться к поверхностным или периферическим белкам, а битипические и политипические к интегральным, т. е. полностью погруженным в мембрану.)
Слои мембраны асимметричны и различаются по липидному и белковому составу, что отражает функциональные различия их поверхностей.
Плазматическая мембрана является барьером между клеткой и окружающей средой, и обеспечивает сохранение существующих различий. Мембрана служит высокоизбирательным фильтром и, кроме того, отвечает за активный транспорт; с ее помощью регулируется поступление внутрь клетки питательных веществ и выход наружу продуктов выделения. Благодаря мембране устанавливается разница в концентрации ионов внутри клетки и во внеклеточном пространстве.
В норме в клетке растений поддерживается тургор - состояние эластичной напряженности клеточной стенки, обусловленное внутренним давлением жидкости.
Главным компонентом всех клеток является вода (70%), остальная часть – это макромолекулы (белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды), небольшие органические молекулы и ионы.
Сами по себе макромолекулы слабо влияют на осмотическое давление клетки, так как это, несмотря на свои размеры, всего лишь одна молекула, и число их незначительно мало по сравнению с числом небольших органических молекул. Однако большинство макромолекул сильно заряжены и удерживают вокруг себя множество ионов противоположного заряда. Именно эти ионы и вносят вклад во внутриклеточную осмотичность. Кроме того, стоит учитывать, что эти молекулы также удерживают вокруг себя молекулы воды, которая разбавляет клеточный сок.
Стоит отметить, что клетки содержат высокие концентрации малых полярных органических молекул (сахара, аминокислоты, нуклеотиды). Для них мембрана является почти непроницаемой. Добавим, что малые метаболиты также в большинстве заряжены и окружены противоионами. Таким образом, как сами малые молекулы, так и окружающие их ионы с противоположным зарядом существенно влияют на осмотическое давление.
Основной вклад в осмотичность клетки вносят неорганические ионы. Они способны перемещаться через плазматическую мембрану за счет активного (насосы, Na-K-АТФаза и т. д.) или пассивного транспорта (диффузия).
Если бы не существовало машин активного транспорта, со временем система пришла бы в равновесие (установление равных концентраций внутри и снаружи клетки), при этом концентрация ионов внутри клетки была бы немного больше вследствие эффекта Доннана (мембранное равновесие доннана – равновесие, устанавливающееся в системе растворов, непроницаемой хотя бы для 1 вида ионов).
При отсутствии системы осморегуляции, общая концентрация ионов внутри клетки оказалась бы больше чем снаружи (т. е. можно сказать, что клетка гиперосмотична среде). Так как каждая система стремится к равновесию, концентрация ионов между клеткой и средой в конечном итоге бы выровнялась за счет притока воды в клетку и вызвав ее разрыв.
Как же клетки контролируют осмотическое давление и избегают нарушение целостности?
Животные клетки и клетки бактерий активно выкачивают неорганические ионы, такие как Na, так, чтобы их концентрация в клетке стала ниже, чем в окружающей среде (стоит заметить, что это не основная функция Na-K-АТФазы (все-таки главная – изменение мембранного потенциала), но также довольно значительная для клетки). Клетки растений ограничивают набухание благодаря жестким клеточным стенкам: в зависимости от количества поступающей внутрь воды увеличивается и внутриклеточное давление со стороны стенки, уравновешивающее разрывающие клетку силы.
Многие простейшие избегают набухания и разрыва благодаря способности периодически выбрасывать излишки воды с помощью специальных органелл – сократительных вакуолей.
Величина осмотического давления, создаваемая раствором, зависит от количества, а не от химической природы растворенных в нём веществ или ионов. Чем больше концентрация вещества в растворе, тем больше создаваемое им осмотическое давление. Это правило, носящее название закона осмотического давления, выражается формулой, очень похожей на некий закон идеального газа:
π = i*C*R*T,
где i — изотонический коэффициент раствора; C — молярная концентрация раствора, в моль/м³; R — универсальная газовая постоянная; T — термодинамическая температура раствора, в кельвинах.
R = 8,3145м2*кг/ (с2*К*моль)
T = 273 + C0
С = n/V, где n – количество вещества в молях, V – объем в литрах.
Осмотическое давление, которое зависит от содержания в растворе белков, называется онкотическим (0,03—0,04 атм). При длительном голодании, болезни почек концентрация белков в крови уменьшается, онкотическое давление в крови снижается и возникают онкотические отёки: вода переходит из сосудов в ткани, где πОНК больше. При гнойных процессах πОНК в очаге воспаления возрастает в 2—3 раза, так как увеличивается число частиц из-за разрушения белков.
В организме осмотическое давление должно быть постоянным (около 7,7 атм). Поэтому пациентам вводят изотонические растворы (растворы, осмотическое давление которых равно πплазмы ≈ 7,7 атм. (0,9 % NaCl — физиологический раствор, 5 % раствор глюкозы). Гипертонические растворы, у которых π больше, чем πплазмы, применяются в медицине для очистки ран от гноя (10 % NaCl), для удаления аллергических отёков (10 % CaCl2, 20 % глюкоза), в качестве слабительных лекарств (Na2SO4∙10H2O, MgSO4∙7H2O).
Получение искусственной клеточки Траубе
Оборудование: кристаллы гексоцианоферрата (2) калия K4[Fe(CN)6], 0,5% водный раствор CuSO4 в пробирке, пинцет, лупа.
Когда мы опускаем кристаллы гексоцианоферрата в раствор, происходит следующая реакция:
K4[Fe(CN)6] + 2Cu SO4 → Cu2[Fe(CN)6] + 2K2SO4
В ходе реакции образуется полупроницаемая пленка, которая в воде сворачивается в капельку, тем самым имитируя клетку и мембрану. Соответственно можно определить в каком растворе находится эта «клетка»: гипо-, изо- или гипертоническом.
Если концентрация Cu SO4 снаружи клеточки Траубе выше, чем концентрация K4[Fe(CN)6] в «клетке», то вода будет выходить из клетки в среду и клетка съежиться. Такой раствор называется гипертоническим и его осмотическое давление выше нормального.
Если концентрация Cu SO4 снаружи клеточки Траубе ниже, чем концентрация K4[Fe(CN)6] в «клетке», то вода будет поступать в клетку, пока не будет достигнуто равновесие или пока клеточная оболочка не лопнет. Тогда между двумя растворами опять происходит химическая реакция и образуется новая замкнутая мембрана, через которую проникает вода и наблюдается рост клеточки. Такой раствор называется гипотоническим и его осмотическое давление ниже нормального.
Если концентрация Cu SO4 снаружи клеточки Траубе такая же, как и концентрация K4[Fe(CN)6] в «клетке», то в системе возникнет динамическое равновесие и размеры клетки будут меняться крайне незначительно. Такой раствор называется изотоническим и его осмотическое давление равно нормальному.
Был предоставлен гипотонический раствор и при выполнении практического задания можно было наблюдать, как клеточка Траубе разбухает. В задании требовалось сделать рисунок-схему, какие процессы происходят в данной системе. Он представлен ниже.
В чем же причина наблюдаемого явления?
Любая система стремится к равновесию. В клетке и среде различное осмотическое давление, а значит, для его достижения необходимо так переместить молекулы воды, чтобы концентрации веществ внутри и снаружи были одинаковы. Так как среда является гипотоничной по отношению к клетке, вода будет стремиться проникнуть в клетку через полупроницаемую мембрану.
Стремление молекул воды перемещаться из одного места в другое измеряется водным потенциалом и обозначается ψ. Вода всегда стремится из области с высоким водным потенциалом в область с низким водным потенциалом. Молекулы растворенного вещества снижают водный потенциал (в сущности они «разбавляют воду»). Степень этого снижения называют осмотическим потенциалом, ψ0.
Далее приведем несколько опытов, которые вы можете самостоятельно провести дома.
Оборудование: 1 картофелина, кухонная доска, нож, соль, питьевая вода, физраствор (можно купить в ампулах или в пузырьке в аптеке).
1. Приготовление растворов:
Гипотонический – питьевая вода;
Изотонический – физиологический раствор;
Гипертонический – приготовим 2 раствора разной концентрации. 1 – 1 чайная ложка соли на 100 мл воды, 2-3 ложки соли на 100 мл воды. Особые перфекционисты могут приготовить насыщенный раствор (раствор с наибольшей возможной концентрацией при определенной температуре) – довести питьевую воду до кипения и растворять в ней соль, пока она не начнет выпадать в осадок. Кроме того, можно самим попробовать приготовить растворы разных концентраций.
2. Нарезаем картофелину на ровные брусочки (стремящиеся к идеальному параллелепипеду 7*1*1). Чем больше брусочков, тем лучше! Минимум – по числу приготовленных растворов.
3. Теперь все совсем просто. Берем ЧИСТЫЕ, без следов моющего средства и грязных пятен, стаканы.
Разливаем в них растворы и ОБЯЗАТЕЛЬНО ПОДПИСЫВАЕМ, где какой раствор! Затем опускаем в них брусочки и оставляем на 10-15 минут. Достаем брусочки и измеряем их длину.
Заполняем таблицу. Ниже приведен пример таблицы. Вместо х и у подставляем полученные числа.
|
Номер |
Концентрация раствора |
Длина до проведения опыта, см |
Длина после проведения опыта, см |
Вывод: гипо-, изо- или гипертонический. |
|
1 |
Х |
у |
Гипотонический, x |
|
|
2 |
Х |
Y |
Изотонический, x=y |
|
|
3 |
Х |
y |
Гипертонический, x>y |
Оборудование: стакан, силикатный клей (можно купить в магазине канцтоваров или заменить на жидкое стекло (магазин хозтоваров), содержащий водный раствор силиката натрия, питьевая вода, кристаллики солей металлов разных цветов (медный купорос, алюмокалиевые квасцы и пр. – есть в цветочных магазинах, можно попросить у учителя химии. Идеально – соли кальция, бария, меди, цинка, кобальта, никеля и т. д. Чем больше цветов, тем более красочный будет сад).
Ход работы:
Налейте в стакан силикатный клей и питьевую воду в соотношении 1:1. Насыпьте в стакан кристаллики солей разных цветов (можно только общедоступный медный купорос). Через 15-20 минут появятся заросли, напоминающие деревья или водоросли.
Это образовались осадки, например:
СаСl2 +Na2SiO3 -> CaSiO3 + 2NaCl
Полые трубочки, которые вы будете наблюдать, представляют собой полупроницаемые мембраны, через которые вода проникает внутрь. За счет того, что раствор по отношению к «клеточкам Траубе» гипотоничен, в некоторых местах пленка рвется, вновь протекает реакция и происходит ветвление нитей.
Источники:
