Что такое осмотический раствор
Медицинская биохимия, принципы измерительных технологий в биохимии, патохимия, диагностика, биохимия злокачественного роста. Часть 2.
Вода и электролиты
Растворителем, в котором работают почти все известные живые системы, служит окись водорода, или вода (H 2O). В молекуле воды атом кислорода соединен с двумя атомами водорода одинарными ковалентными связями.
Раствори́мость — способность вещества образовывать с другими веществами однородные системы — растворы, в которых вещество находится в виде отдельных атомов, ионов, молекул или частиц.
Электроотрицательность — сила, с которой атом в составе молекулы оттягивает на себя общие с другим атомом электроны, образующие ковалентную связь. Это понятие ввел Лайнус Полинг (Linus Carl Pauling). Самый электроотрицательный элемент — фтор, за ним на шкале электроотрицательности следует кислород. Иными словами, кислород превосходит по электроотрицательности все другие атомы, за исключением фтора (который в биологической химии практически не встречается). Запомним этот факт.
Электроотрицательность одинаковых атомов по определению равна. Если между двумя одинаковыми атомами есть ковалентная связь, то образующие ее электроны никуда не смещены (в рамках старинной планетарной модели атома можно сказать, что они находятся точно посредине между атомами, как на картинке). Такая ковалентная связь называется неполярной.
Если ковалентную связь образуют два разных атома, то общие электроны смещаются к тому из них, у которого выше электроотрицательность. Такая связь называется полярной. При очень большой разнице в электроотрицательности она может даже стать ионной — это случится, если один атом полностью “отберет” у другого общую пару электронов.
Связь между водородом и кислородом в молекуле воды — типичный пример ковалентной полярной связи. Электроотрицательность кислорода намного выше, поэтому общие электроны смещены к нему. В результате на кислороде возникает маленький отрицательный заряд, а на водороде маленький положительный; эти заряды принято обозначать буквой δ (“дельта”).
Связи кислорода с водородом или углеродом (H-O или C-O) — всегда полярные. Молекулы, в которых много таких связей, несут многочисленные частичные заряды, отрицательные на кислороде и положительные на водороде или углероде. В то же время связь между углеродом и водородом (C-H) считается неполярной: разница в электроотрицательности между этими элементами так мала, что смещение электронов незаметно. Например, молекулы углеводородов в силу этого полностью неполярны, они не несут никаких частичных зарядов ни на каких атомах.
При наличии полярных связей между водородом и кислородом частичные заряды на этих атомах (отрицательные на кислороде и положительные на водороде) притягиваются друг к другу, образуя водородные связи. Эти связи гораздо слабее ковалентных, но могут давать сильный эффект, если их много. Например, именно из-за колоссального количества водородных связей у воды очень высокая теплоемкость — ее трудно нагреть и трудно остудить. Строго говоря, водородная связь может образоваться не только с кислородом, но и с другими электроотрицательными атомами (например, с азотом или фтором).
Любые заряженные частицы в водном растворе гидратируются, то есть окружаются молекулами воды — конечно, по-разному ориентированными в зависимости от того, положительная это частица или отрицательная. Любые ионы, растворенные в воде, на самом деле присутствуют там в гидратированном состоянии, то есть с водной оболочкой. На картинке для примера показана растворенная поваренная соль (NaCl) — образец чисто ионного вещества.
Полярные молекулы (а тем более ионы) хорошо взаимодействуют с водой, образуя с ней водородные связи и (или) подвергаясь гидратации. Такие вещества хорошо растворяются в воде и называются гидрофильными. Неполярные молекулы взаимодействуют с водой гораздо слабее, чем друг с другом. Такие вещества плохо растворяются в воде и называются гидрофобными. Типичные гидрофобные вещества — углеводороды. Типичные гидрофильные вещества — спирты, такие как этанол или показанный на картинке глицерин. Вообще кислородсодержащие соединения углерода, как правило, гидрофильны, если только в них нет совсем уж огромных углеводородных радикалов.
Могут ли подойти для жизни другие растворители, кроме воды? Ответ — да. Например, двуокись углерода (CO 2) при более высоких давлениях, чем наше атмосферное, становится жидкостью и представляет собой хороший гидрофильный растворитель, в котором успешно идут многие биохимические реакции. В этом растворителе могут жить даже земные микроорганизмы: например, на дне Окинавского желоба в Восточно-Китайском море обнаружено целое озеро жидкой углекислоты, в котором постоянно живут довольно разнообразные бактерии (Inagaki et al., 2006).
Некоторые исследователи предполагают, что океаны жидкой двуокиси углерода могут существовать на планетах-“суперземлях” с массой, в несколько раз превосходящей массу Земли (Budisa, Schulze-Makuch, 2014). На картинке — художественное изображение планеты GJ1214b в созвездии Змееносца.
На крупнейшем спутнике Сатурна — Титане — есть углеводородные озера и даже моря, состоящие из метана (CH 4), этана (C 2H 6) и пропана (C 3H 8). Это гидрофобный растворитель, в котором тоже иногда предполагают существование жизни, хотя прямых подтверждений тому пока нет. На картине — пейзаж Титана. Жидкой воды на поверхности Титана нет, там слишком холодно.
Аммиак (NH 3) — гидрофильный растворитель, образующий много водородных связей, в данном случае между водородом и азотом, и напоминающий воду по физико-химическим свойствам. На более холодных планетах, чем Земля, аммиак находится в жидком состоянии и вполне может быть средой для жизни.
Теоретически возможно существование холодных землеподобных планет с аммиачными океанами (на картинке художественное изображение такой планеты). Есть ли там жизнь, никто не знает. Но почему бы и нет? Если насчет альтернатив углеродной жизни есть сомнения, то углеродную жизнь в неводном растворителе представить гораздо легче.
Можно придумать и другие экзотические варианты — например, океан из плавиковой кислоты (HF) на планете, описанной в фантастической повести Ивана Ефремова “Сердце Змеи”. “Люди Земли увидели лиловые волны океана из фтористого водорода, омывавшие берега черных песков, красных утесов и склонов иззубренных гор, светящихся голубым лунным сиянием…” Возвращаясь к земной биохимии, будем помнить, что она — не единственная теоретически возможная.
Что такое осмотическое давление воды
Явление осмотического давления в воде было обнаружено и описано еще в 1748 году французским физиком-экспериментатором Жаном-Антуаном Нолле.
Проводя свой эксперимент, Нолле наполнил сосуд этанолом и, закрыв его плотной мембраной, опустил в емкость с чистой водой. Под действием физических сил вода поступала внутрь сосуда с концентрированной жидкостью и создавала там давление, под действием которого сосуд раздувался. В процессе его эксперимента хватало пяти часов, чтобы объем в сосуде увеличился, а мембрана раздулась. Тогда он решил провести обратный опыт и наполнил колбу водой, поместив ее в сосуд со спиртом. Объем в колбе стал уменьшаться, а мембрана начала прогибаться вниз.
Нолле объяснил это явление, как избирательный перенос молекул через мембрану: когда жидкость с меньшей плотностью легко проходила через стенки мембраны, вторая, концентрированная, не могла осуществить диффузию.
Позже было доказано, что если к концентрированному раствору будет приложено давление, то перенос молекул растворителя можно замедлить или остановить в зависимости от величины давления. Наименьшее давление, за исключением давления самого растворителя, которое нужно приложить к раствору, чтобы предотвратить перемещение молекул чистого вещества через мембрану, было названо»«соматическое», а сам процесс произвольного перехода молекул растворителя стали называть «осмос».
От чего зависит осмотическое давление воды
Важным условием осмоса является наличие полупроницаемой мембраны, то есть такого материала, поры которого будут достаточного размера, чтобы свободно пропускать молекулы растворителя и удерживать в растворе частицы растворенного вещества.
Осмотическое давление воды зависит от двух основных факторов:
Это объясняется уравнением Вант-Гоффа. Осмотическое давление воды равно: π = RCT,
Ученый выявил, что осмотическое давление жидкостных растворов, подчиняется тем же законам, что и давление газовых систем. С помощью данного уравнения определяется величина давления.
Оно не зависит от состава растворенного вещества, поэтому осмотическое давление считается коллигативным свойством раствора, то есть обусловленным самопроизвольным движением молекул, их количеством, а не составом.
Для возникновения осмотического давления воды в системе необходимо два критерия:
Как определить осмотическое давление воды
Динамический метод определение осмотического давления воды позволяет быстро и точно получить результат. Он основывается на определении объемной скорости пропускания и выдавливания молекул растворителя через мембраны с различным давлением в ячейке с последующим вычислением промежуточных значений среди полученных результатов.
Многие приборы позволяют проводить вычисления обоими методами. Единственным важным условиям проведения измерения является правильный подбор полупроницаемой мембраны. На практике чаще всего применяются:
Роль осмотического давления воды для живых организмов
Не менее важную роль осмос играет в экологии водоемов. При изменении концентрации солей в воде, обитатели могут погибнуть, так, например, если поместить пресноводное животное в морскую воду, то оно вскоре потеряет пятую часть своего веса, а если морского обитателя перенести в пресную воду, то из-за диффузии молекул повысится уровень внутриклеточной жидкости, клетки его органов разбухнут и лопнут.
Осмотическое давление морской воды
Осмотическое давление морской воды составляет примерно 25 бар, что существенно выше осмотического давления пресной воды. Поэтому процесс опреснения морской воды методом обратного осмоса проходит при существенно больших давлениях (40-60 бар). Естественно, для разных морей и океанов величина осмотического давления будут разниться за счет разной концентрации солей.
Где применяют осмотическое давление воды
Знание и правильное применение законов осмотического давления воды необходимо в медицине, биологии, энергетике и промышленности. На них основываются многие физико-биологические процессы, процессы получения веществ, а также способы очистки воды.
Нарушения метаболизма. Биохимия специализированных тканей. (Для клин.ордов КЛД)
Вода и электролиты
Растворителем, в котором работают почти все известные живые системы, служит окись водорода, или вода (H 2O). В молекуле воды атом кислорода соединен с двумя атомами водорода одинарными ковалентными связями.
Раствори́мость — способность вещества образовывать с другими веществами однородные системы — растворы, в которых вещество находится в виде отдельных атомов, ионов, молекул или частиц.
Электроотрицательность — сила, с которой атом в составе молекулы оттягивает на себя общие с другим атомом электроны, образующие ковалентную связь. Это понятие ввел Лайнус Полинг (Linus Carl Pauling). Самый электроотрицательный элемент — фтор, за ним на шкале электроотрицательности следует кислород. Иными словами, кислород превосходит по электроотрицательности все другие атомы, за исключением фтора (который в биологической химии практически не встречается). Запомним этот факт.
Электроотрицательность одинаковых атомов по определению равна. Если между двумя одинаковыми атомами есть ковалентная связь, то образующие ее электроны никуда не смещены (в рамках старинной планетарной модели атома можно сказать, что они находятся точно посредине между атомами, как на картинке). Такая ковалентная связь называется неполярной.
Если ковалентную связь образуют два разных атома, то общие электроны смещаются к тому из них, у которого выше электроотрицательность. Такая связь называется полярной. При очень большой разнице в электроотрицательности она может даже стать ионной — это случится, если один атом полностью “отберет” у другого общую пару электронов.
Связь между водородом и кислородом в молекуле воды — типичный пример ковалентной полярной связи. Электроотрицательность кислорода намного выше, поэтому общие электроны смещены к нему. В результате на кислороде возникает маленький отрицательный заряд, а на водороде маленький положительный; эти заряды принято обозначать буквой δ (“дельта”).
Связи кислорода с водородом или углеродом (H-O или C-O) — всегда полярные. Молекулы, в которых много таких связей, несут многочисленные частичные заряды, отрицательные на кислороде и положительные на водороде или углероде. В то же время связь между углеродом и водородом (C-H) считается неполярной: разница в электроотрицательности между этими элементами так мала, что смещение электронов незаметно. Например, молекулы углеводородов в силу этого полностью неполярны, они не несут никаких частичных зарядов ни на каких атомах.
При наличии полярных связей между водородом и кислородом частичные заряды на этих атомах (отрицательные на кислороде и положительные на водороде) притягиваются друг к другу, образуя водородные связи. Эти связи гораздо слабее ковалентных, но могут давать сильный эффект, если их много. Например, именно из-за колоссального количества водородных связей у воды очень высокая теплоемкость — ее трудно нагреть и трудно остудить. Строго говоря, водородная связь может образоваться не только с кислородом, но и с другими электроотрицательными атомами (например, с азотом или фтором).
Любые заряженные частицы в водном растворе гидратируются, то есть окружаются молекулами воды — конечно, по-разному ориентированными в зависимости от того, положительная это частица или отрицательная. Любые ионы, растворенные в воде, на самом деле присутствуют там в гидратированном состоянии, то есть с водной оболочкой. На картинке для примера показана растворенная поваренная соль (NaCl) — образец чисто ионного вещества.
Полярные молекулы (а тем более ионы) хорошо взаимодействуют с водой, образуя с ней водородные связи и (или) подвергаясь гидратации. Такие вещества хорошо растворяются в воде и называются гидрофильными. Неполярные молекулы взаимодействуют с водой гораздо слабее, чем друг с другом. Такие вещества плохо растворяются в воде и называются гидрофобными. Типичные гидрофобные вещества — углеводороды. Типичные гидрофильные вещества — спирты, такие как этанол или показанный на картинке глицерин. Вообще кислородсодержащие соединения углерода, как правило, гидрофильны, если только в них нет совсем уж огромных углеводородных радикалов.
Могут ли подойти для жизни другие растворители, кроме воды? Ответ — да. Например, двуокись углерода (CO 2) при более высоких давлениях, чем наше атмосферное, становится жидкостью и представляет собой хороший гидрофильный растворитель, в котором успешно идут многие биохимические реакции. В этом растворителе могут жить даже земные микроорганизмы: например, на дне Окинавского желоба в Восточно-Китайском море обнаружено целое озеро жидкой углекислоты, в котором постоянно живут довольно разнообразные бактерии (Inagaki et al., 2006).
Некоторые исследователи предполагают, что океаны жидкой двуокиси углерода могут существовать на планетах-“суперземлях” с массой, в несколько раз превосходящей массу Земли (Budisa, Schulze-Makuch, 2014). На картинке — художественное изображение планеты GJ1214b в созвездии Змееносца.
На крупнейшем спутнике Сатурна — Титане — есть углеводородные озера и даже моря, состоящие из метана (CH 4), этана (C 2H 6) и пропана (C 3H 8). Это гидрофобный растворитель, в котором тоже иногда предполагают существование жизни, хотя прямых подтверждений тому пока нет. На картине — пейзаж Титана. Жидкой воды на поверхности Титана нет, там слишком холодно.
Аммиак (NH 3) — гидрофильный растворитель, образующий много водородных связей, в данном случае между водородом и азотом, и напоминающий воду по физико-химическим свойствам. На более холодных планетах, чем Земля, аммиак находится в жидком состоянии и вполне может быть средой для жизни.
Теоретически возможно существование холодных землеподобных планет с аммиачными океанами (на картинке художественное изображение такой планеты). Есть ли там жизнь, никто не знает. Но почему бы и нет? Если насчет альтернатив углеродной жизни есть сомнения, то углеродную жизнь в неводном растворителе представить гораздо легче.
Можно придумать и другие экзотические варианты — например, океан из плавиковой кислоты (HF) на планете, описанной в фантастической повести Ивана Ефремова “Сердце Змеи”. “Люди Земли увидели лиловые волны океана из фтористого водорода, омывавшие берега черных песков, красных утесов и склонов иззубренных гор, светящихся голубым лунным сиянием…” Возвращаясь к земной биохимии, будем помнить, что она — не единственная теоретически возможная.
13 лучших примеров осмоса в повседневной жизни
Что такое осмос?
Но что такое полупроницаемая мембрана? Что ж, это своего рода барьер, через который проходят одни молекулы или вещества, но не другие. Например, пластиковая пленка позволяет водяному пару и воздуху проходить через нее, но не пище или воде. Точно так же мембраны клеток пропускают воду и определенные растворенные вещества (крошечные молекулы, растворенные в растворителе), блокируя при этом другие растворенные вещества.
Этот процесс был впервые задокументирован французским физиком Жаном-Антуаном Нолле в 1748 году. Более века спустя немецкий химик изобрел высокоселективные осаждающие мембраны, продвигая искусство и технику измерения осмотического потока.
Как это работает?
Осмос всегда пытается уравнять концентрацию по обе стороны мембраны. Поскольку растворенное вещество не может проходить через мембрану, перемещаться должен только растворитель (вода). По мере приближения к равновесию раствор становится более стабильным. Таким образом, осмос поддерживает законы термодинамики.
Виды осмоса
Обычно бывает два типа осмоса:
Чтобы лучше объяснить это явление, мы перечислили несколько очень хороших примеров осмоса, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни.
13. Изюм в воде
Тип: Эндосмос
Поскольку растворитель (чистая вода) входит в клетку изюма, это является примером эндосмоса.
12. Картофель в сахарном растворе
Тип: Экзосмос
Если положить картофель в сахарный раствор, он со временем сожмется. Это связано с тем, что в клетках картофеля концентрация воды намного выше, чем в растворе сахара, поэтому вода выходит из картофеля через его мембрану в раствор сахара.
Поскольку растворитель выходит из клеток картофеля и попадает в раствор сахара, пытаясь достичь равновесия, это пример экзосмоса.
11. Растения поглощают воду из почвы
Тип: Эндосмос
В то время как растения поглощают воду по всей своей поверхности (листья, стебли и корни), большая часть воды поглощается корневыми волосками. Эти корневые волоски действуют как полупроницаемый барьер, позволяя молекулам воды (растворителю) перемещаться от высокой концентрации (почва) к низкой концентрации (корни).
В результате корневые волосковые клетки становятся более набухшими, а их осмотическое давление (способность впитывать растворители) падает.
Затем молекулы воды перемещаются в трубки, называемые сосудами ксилемы, и транспортируются к листьям. Внутри клеток ксилемы молекулы воды оказывают сильное влияние друг на друга за счет водородных связей. Когда вода испаряется через устьица (крошечные поры на листьях), через клетки ксилемы корня выводится больше воды, чтобы заменить то, что было потеряно.
10. Соль на слизнях
Тип: Экзосмос
Соль и слизни плохо сочетаются. Вы когда-нибудь задумывались, почему соль убивает слизней и улиток? Влажная кожа слизняка действует как полупроницаемая мембрана. Высокая концентрация соли на коже слизняка вытягивает воду из его клеток посредством осмоса.
Вода выходит наружу, потому что это уравновешивает концентрацию соли между внешней и внутренней стороной кожи слизняка. Как и большинству других живых организмов, слизням для обслуживания нужна вода. А когда они теряют слишком много воды, они сморщиваются и умирают.
9. Красные кровяные тельца, помещенные в пресную воду
Тип: Эндосмос
При помещении в пресную воду вода попадает в клетки посредством осмоса, вызывая набухание клеток. Это происходит потому, что концентрация ионов и других растворенных частиц внутри эритроцита выше, чем вне его.
Количество воды, которая может попасть в клетки, контролируется давлением клеточной мембраны, действующим на содержимое клетки. В большинстве случаев клетка потребляет больше воды, чем может выдержать ее мембрана, что приводит к взрыву клетки. Это явление называется гемолизом.
Однако, когда красные кровяные тельца помещаются в раствор с более высокой концентрацией растворенного вещества, вода выходит из клетки. В результате клетки становятся меньше и имеют зубчатую форму.
8. Рыбы впитывают воду через кожу и жабры
Тип: эндосмос или экзосмос в зависимости от вида рыб.
Если поместить морскую или пресноводную рыбу в воду с разной концентрацией соли, она погибнет из-за попадания или выхода воды в ее клетки.
Кровь и физиологические жидкости пресноводных рыб намного соленее, чем вода, в которой они плавают. Таким образом, вода проходит через их жабры. Точно так же рыба, обитающая в океане, имеет тенденцию терять воду через жабры.
Как и человеческое тело, рыбьему телу для наилучшего функционирования необходима определенная концентрация соли. Они не могут противостоять слишком большому количеству воды, втекающей или вытекающей через жабры. Пресноводная рыба лопнет, а морская засохнет.
Однако этого не происходит, потому что их жабры содержат специализированные клетки, которые выборочно перекачивают соль в кровь или из нее. Клетки пресноводных рыб регулярно переносят соль, а клетки морских рыб регулярно ее выкачивают. А поскольку океанская вода очень соленая, рыба откачивает излишки соли через жабры и почки.
7. Полоскание горла с соленой водой избавляет от боли в горле
Тип: экзосмос (избыток жидкости выбрасывается из тканей горла).
Соленая вода на самом деле не лечит боль в горле, но помогает уменьшить боль и дискомфорт. Это потому, что соленая вода содержит более высокую концентрацию растворенного вещества (соли), чем то, что присутствует в тканях нашего горла.
Более конкретно, осмотическое давление соленой воды больше, чем давление в жидкости окружающих клеток. Поэтому, когда мы полощем горло, избыток жидкости выходит из тканей горла, уменьшая отек и облегчая боль.
6. Сахар на клубнике
Тип: Экзосмос
Наружная мембрана клубники действует как полупроницаемый слой между ее внутренней и внешней частью. Внутренняя часть уже содержит воду и натуральный сахар. При посыпании сахара на срезанную клубнику, большее количество сахара за пределами клеток плода (в сочетании со способностью сахара притягивать воду) вызывает движение воды наружу к поверхности клубники.
Этот процесс можно использовать для приготовления вкусных продуктов, таких как мацерированная клубника, желе и джемы. Его также можно использовать для продления срока хранения фруктов.
5. Консервирование продуктов питания
Тип: Экзосмос (клетки бактерий теряют воду)
Они действуют не только как усилители вкуса, но и как отличные консерванты, убивая бактерии и предотвращая рост других вредных микроорганизмов.
Высокая концентрация сахара и соли гипертонически воздействует на клетки бактерий. Клетки бактерий теряют воду из-за более высоких концентраций снаружи и становятся менее проводящими для поддержания роста микроорганизмов.
4. Переваренная пища всасывается в тонком и толстом кишечнике
Тип: Эндосмос
Когда вы пьете воду или едите пищу, она движется изо рта по пищеводу в желудок. Внутри желудка пища распадается на множество мелких частей, которые смешиваются с желудочными жидкостями. Смесь образует густую полужидкую массу, называемую химусом. Когда химус попадает в тонкий кишечник, происходит осмос.
Клетки кишечного эпителия (которые образуют слизистую оболочку кишечника) имеют более низкую концентрацию, чем химус. Таким образом, чтобы достичь равновесия, растворитель (вода) проникает в эти клетки через полупроницаемые мембраны, забирая с собой некоторые питательные вещества.
Рядом с эпителиальными клетками находятся капилляры. И питательные вещества, и вода проходят через клетки капилляров в кровоток.
3. Патогенные бактерии мешают кишечным клеткам
Бактерии холеры, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа
Тип: Экзосмос
Некоторые патогенные бактерии, такие как Vibrio cholerae, способны вмешиваться в каналы транспорта ионов кишечных клеток человека. Они производят энтеротоксины, которые изменяют проницаемость эпителиальных клеток кишечной стенки за счет образования пор.
В результате осмоса вода и другие жидкие соединения выводятся из организма, что приводит к сильному обезвоживанию и диарее. Эти бактерии могут крепко держаться за клетки кишечника, в то время как обычные бактерии, живущие в нашем желудке, вымываются. Таким образом, бактерии холеры получают достаточно области для роста и размножения. Умный крошечный микроб, не так ли?
2. Вызванная контактными линзами сухость глаз
Тип: Экзосмос
Знаете ли вы, почему мы помещаем контактные линзы в физиологический раствор? Почему не чистая вода? Это связано с тем, что физиологический раствор для контактных линз содержит такую же концентрацию соленой воды, как и ваш глаз.
Когда вы держите линзы внутри раствора, они остаются влажными, мягкими и удобными. В противном случае они имеют тенденцию впитывать влагу из глаз посредством осмоса, поскольку теряют воду во время носки.
1. Очистка воды
Этот процесс широко используется для удаления из воды распространенных загрязняющих веществ, в том числе пестицидов свинца, нитратов, фтора, сульфатов, мышьяка, бактерий и многого другого.