Способ определения осмотического давления

Способ определения осмотического давления

Поддержание адекватного объема одной или обеих (внутри- и внеклеточной) жидких сред организма является частой проблемой при лечении тяжелобольных. Распределение внеклеточной жидкости между плазмой и межклеточным пространством в основном зависит от уравновешивания сил гидростатического и коллоидно-осмотического давления, которые действуют на мембрану капилляров.

Распределение жидкости между внутри- и внеклеточной средами в основном определяется осмотическими силами мелких молекул растворенных веществ, преимущественно натрия, хлора и других электролитов, действующих по разные стороны мембраны. Причина этого распределения обусловлена свойствами мембран, проницаемость которых для воды высока, а для ионов даже очень небольшого диаметра, таких как натрий и хлор, практически равна нулю. Следовательно, вода быстро проникает через мембрану, а внутриклеточная жидкость, тем не менее, остается изотоничной по отношению к внеклеточной.

В следующем разделе рассмотрим взаимосвязь между внутри- и внеклеточной жидкостями и причины осмотического характера, способные влиять на перенос жидкости между этими средами.

В статье мы рассмотрим только наиболее важные теоретические положения, касающиеся регуляции объемов жидкости.

Теоретические основы осмоса и осмотического давления

Основы осмоса и осмотического давления изложены в отдельной статье на сайте (просим вас пользоваться формой поиска выше). В этой статье мы рассмотрим только наиболее важные теоретические положения, касающиеся регуляции объемов жидкости.

Осмос — процесс диффузии воды через полупроницаемую мембрану. Он происходит из области с высокой концентрацией воды в область с ее низкой концентрацией. Растворение вещества в воде приводит к снижению концентрации воды в данном растворе. Следовательно, чем больше концентрация вещества в растворе, тем ниже в нем содержание воды. Кроме того, вода диффундирует из области с низкой концентрацией вещества (высоким содержанием воды) в область с высокой концентрацией вещества (низким содержанием воды).

Поскольку проницаемость мембраны клеток избирательна (она относительно низка для большинства растворенных веществ, но высока для воды), то при повышении концентрации вещества с одной стороны мембраны вода проникает в эту область путем диффузии. Если растворенное вещество, такое как NaCl, добавить во внеклеточную жидкость, вода будет быстро выходить из клетки до тех пор, пока концентрации молекул воды по обе стороны мембраны не уравняются. Если, напротив, концентрация NaCl во внеклеточной жидкости снизится, вода из внеклеточной жидкости устремится в клетки. Интенсивность, с которой вода диффундирует в клетку, называют осмотической силой.

а) Соотношение молей и осмолей. Поскольку концентрация воды в растворе зависит от количества в нем частиц вещества, под термином «концентрация вещества» (независимо от его химического состава) понимают общее число частиц вещества в растворе. Это число измеряют в осмолях. Один осмоль (осм) соответствует одному молю (1 моль, 6,02×10 23 ) частиц растворенного вещества. Следовательно, каждый литр раствора, содержащий 1 моль глюкозы, соответствует концентрации 1 осм/л. Если молекула диссоциирует на 2 иона, т.е. возникают две частицы (например, NaCl распадается на ионы Na+ и Сl-), то одномолярный раствор (1 моль/л) будет иметь осмолярность 2 осм/л. Аналогично раствор, содержащий 1 моль вещества, которое диссоциирует на 3 иона, например сульфат натрия Na₂SО₄, будет содержать 3 осм/л. Поэтому термин «осмоль» определяют, ориентируясь не на молярную концентрацию вещества, а на число растворенных частиц.

В целом осмоль — слишком большая величина, чтобы использовать ее в качестве единицы измерения осмотической активности жидких сред организма. Обычно используют 1/1000 осмоли — миллиосмолъ (моем).

б) Осмоляльность и осмолярность. Осмолялъностью называют осмоляльную концентрацию вещества в растворе, которая выражается в количестве осмолей на килограмм растворителя. Когда же речь идет о количестве осмолей в литре раствора, эту концентрацию называют осмолярностью. Для сильно разведенных растворов, которыми являются жидкие среды организма, справедливо использовать оба термина, т.к. разница значений невелика. Во многих случаях сведения о жидких средах организма легче выражать в литрах, чем в килограммах, поэтому в большинстве расчетов, используемых в клинике, а также в следующих главах, за основу принята не осмоляльность, а осмолярность.

в) Осмотическое давление. Осмос молекул воды через избирательно проницаемую мембрану может быть уравновешен силой, приложенной в направлении, обратном осмосу. Величину давления, необходимую для прекращения осмоса, называют осмотическим давлением. Таким образом, осмотическое давление является непрямой характеристикой содержания воды и концентрации веществ в растворе. Чем оно выше, тем меньше в растворе содержание воды и выше концентрация растворенного вещества.

Видео физиология фильтрации в почках и поддержки осмотического давления крови — профессор, д.м.н. П.Е. Умрюхин

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

Источник

Медицинская биохимия, принципы измерительных технологий в биохимии, патохимия, диагностика, биохимия злокачественного роста. Часть 2.

Вода и электролиты

1. Вода — универсальный биологический растворитель

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.

Источник

22. Методы определения осмотического давления.Плазмолитичесий и криоскопический.

Среди всех веществ живой клетки вода занимает первое место, составляя 75 – 85 % ее массы. Исключением служат лишь клетки сухих семян и спор, обычно содержащих не более 14 % воды. Вода содержится не только в живых, но и в мертвых клетках (ксилема). В межклетниках она находится главным образом в виде пара. Нормальное функционирование клеток происхо­дит при содержании воды равном 70 — 80 %.

Наиболее богаты водой вакуоли, которые содержат ее до 98 %, затем цитоплазма (до 85 %). В клеточных оболочках, особенно сосудов и трахеид, находится наи­меньшее количество воды. Здесь она заполняет проме­жутки между фибриллами целлюлозы и удерживается силами поверхностного натяжения и за счет адсорб­ционных сил. Содержание воды в хлоропластах и ми­тохондриях существенно ниже, чем в цитоплазме, что связано с присутствием в них значительных количеств липидов.

Вода обладает рядом специфических свойств, оп­ределяющих ее громадное значение в жизни растений. Она слабо диссоциирует на водород и гидро­ксилъный ион. Концентрация каждого из них состав­ляет 10 -7 г-ионов на 1 л воды. Чистая вода имеет поэто­му значение рН 7. Кроме обычного водорода в воде находятся дваего изотопа:дейтерий и тритий. Отношение между количеством первого и второго равно 6500: 1. Кислород также выступает в виде трех изотопов: обыч­ного изотопа 160 и двух других с атомной массой 17 и 18 (170 и 180). Из изотопов водорода лишь тритий явля­ется радиоактивным. Образуется он обычно в атмос­фере под воздействием космических лучей и имеет период полураспада 12,5 лет.

Вода имеет целый ряд особенностей, аномальных свойств по сравнению с близкими к ней по химичес­кому составу веществами.

Одним из аномальных свойств воды является ее плотность. Известно, что все вещества при нагревании увеличивают свой объем и в связи с этим уменьшают плотность. Исключение для воды состоит в том, что в интервале температуры от 0 °С до + 4 °С плотность ее не уменьшается, а увеличивается. В момент замерзанияобъем воды мгновенно увеличивается примерно на 11 %. Лед поэтому легче жидкой воды и держится на ее поверхности, плавает. В связи с этим вода в глубоких во­доемах даже при очень сильных морозах не замерзает, ибо как только температура воды упадет ниже + 4 °С. она поднимается на поверхность и превращается в лед. У самого дна озера, например, температура воды зи­мой обычно равна + 4 °С, что весьма благоприятно для жизни его обитателей. Но вода может оставаться в жидком состоянии при температуре вплоть до -70 °С. Это переохлажденная вода. Способность воды сохра­няться в переохлажденном состоянии в тканях расте­ний, наличие в них растворов орга-нических и мине­ральных веществ, способствующих сохранению жид­кого состояния, предохраняет растение от гибели при трескучих зимних морозах.

Необыкновенно высоки у воды температура ки­пения и замерзания. По всем физическим за­конам вода должна бы кипеть при температуре -75°С, а не при + 100°С и замерзать при -90°С. Эти особенно­сти объясняются наличием структуры воды.

«Исключением из правил» являются и ее нео­быкновенно высокие теплоемкость, поверхностное на­тяжение, растворяющая способность, прочность на разрыв (когезия), что также имеет неоценимое значе­ние в жизненных процессах растений.

Для водных растений существенное значение имеет отсутствие у воды цвета. Высокая светопропус­кающая способность воды делает возможным осуществ­ление растениями под водой процесса фотосинтеза.

В молекуле воды (Н₂О) распределение зарядов (двух положительных и двух отрицательных) асимметрично. В связи с тем, что атомы водорода в молекуле располо­жены по отношению к атому кислорода под тупым углом 104,5°, молекула воды, будучи электронейтраль­ной, имеет на одной стороне отрицательный, а на дру­гой — положительный заряды. Такие молекулы назы­вают диполями.

Наличие дипольного момента, равного произведе­нию величины заряда на расстояние между полюсами, определяет ориентацию молекул воды вокруг ионов: у катионов молекулы воды располагаются к поверхно­сти иона своими отрицательными концами — атомами кислорода, а вокруг анионов — положительными, т.е. атомами водорода.

Связывание молекул воды в электричес­ком поле ионов получило название электростатической гидратации. Явления электростатической гидратации наблюдаются и около ионизированных химических групп ряда органических соединений. это имеет значение в поддержании особого состояния цитоплазмы, ее устой­чивости и вместе с тем — лабильности.

Гидратация — взаимодействие воды с гидрофильны­ми (притягивающими воду) веществами, приводящее к изменению ее свойств. Различают два вида гидратации. Присоединение (притягивание) диполей воды к заряженным частицам различных ионов минеральных солей и ионизированных групп. Образование водородных связей с полярными группами органических веществ (между водородом воды и атомами кислорода или азота).

Водородные связи образуются следующим образом: кислород при образовании ковалентной связи в молеку­ле воды притягивает электрон водорода; такой «оголен­ный» водород способен притягивать соседние молеку­лы воды или сам притягиваться к молекулам веществ цитоплазмы. Водородные связи значительно слабее ко­валентных связей (примерно в 24 раза). Наличие в мо­лекуле воды двух протонов и двух одинаковых пар элек­тронов обеспечивает формирование четырех водород­ных связей с окружающими молекулами воды с образованием особой решетчатой структуры.

Наличие решетчатой или псевдоледяной структу­ры и представления о мерцающих кластерах позволя­ют объяснить подвижность структуры жидкой воды и ее низкую вязкость.

В жизни растений важное место занимает элект­ростатическая гuдратацuя белков. Молекулы амино­кислот в белках имеют ионизированные rpуппы — кар­боксильную и аминоrpуппу. Среди аминокислот, входящих в состав белков, гидрофильны­ми радикалами обладают серин, треонин, аргинин, лизин, пролин, оксипролин, тирозин, триптофан, аспа­рагиновая и глутаминовая кислоты. Гидрофобные (во­доотталкивающие) радикалы имеют следующие амино­кислоты: аланин, валин, фенилаланин, лейцин, изолей­цин. Гидрофильные радикалы (гpуппы) аминокислот находятся в водном растворе на поверхности глобул белка, а гидрофобные обращены внутрь.

Гидратация изменяет свойства воды. Поэтому в живой клетке различают свободную и связанную воду. К свободной относят воду, которая по своим свой­ствам не отличается от чистой воды. Среди связанной воды выделяют осмотически и коллоидно связанную. Осмотически связанная вода гидратирует молеку­лы и ионы, находящиеся в растворе, коллоидно свя­занная — коллоидные частицы. Прочно связанная вода образует первый слой гид­ратных оболочек.

Свободная вода легко передвигается в клетках и по всему растению, испаряется и участвует во многих метаболических процессах. Связанная вода обеспечи­вает устойчивость коллоидных систем. Очевидно, что коллоидно связанная вода является элементом струк­туры живой растительной клетки.

Биологическая роль воды в значительной степени связана с ее физико-­химическими свойствами.

— Вода определяет структуру биологических мак­ромолекул и является непременной составной частью цитоплазмы и всех органелл клеток.

— При уменьшении содержания воды в тканях ра­стений ниже определенного оптимума, различного у разных видов, свойства высокомолекулярных веществ и жизненно важных структур клетки резко меняются, что ведет к изменению направленности и скорости биохимических реакций, а при сильном обезвожива­нии — к отмиранию клеток.

— Большое значение в жизнедеятельности клеток имеет гидратация клеточного содержимого.

— Высокая растворяющая способность воды необ­ходима для поступления веществ и их передвижения по растению.

— Вода служит средой для протекания многих био­химических реакций.

— Стенки каждой живой клетки, а также стенки сосудов и трахеид смочены водой, что создает непре­рывную водную фазу во всем растении.

— Вода клеточного сока, влияя на тургесцентность, определяет объем и упругость клеток и в определен­ной мере — форму органов растения, различные дви­жения растения и т. д.

— Вода участвует в терморегуляции растений. Так, при потере воды листьями в процессе транспирации их температура понижается обычно на несколько гра­дусов, благодаря чему клетки защищаются от перегре­ва. Значительная теплоемкость воды смягчает колеба­ния температуры во внешней среде. Образование во­дородных связей при взаимодействии молекул воды друг с другом, а также с гидрофильными веществами сопровождается повышением температуры. Разрыв же этих связей приводит к понижению температуры тка­ней. Это способствует сохранению постоянства внут­ренней среды растения хотя бы на непродолжитель­ный период времени.

— Кроме того, вода — среда для прорастания пыль­цы, что имеет значение в росте пыльцевой трубки и оплодотворении растений.

— Молекулы воды включаются в многочисленные процессы метаболизма. Ярким примером служит реак­ция гидролиза веществ, например превращение крах­мала в глюкозу. Вода может присоединяться ко многим веществам; в качестве примера можно привести присоединение воды к фумаровой кислоте с образованием яблочной.

— В процессе фотосинтеза вода служит источни­ком водорода и электронов при ассимиляции СО₂, а при дыхании синтезируется и частично снова ис­пользуется. Вода принимает участие в различных электронно-транспортных процессах, миграции за­рядов и т. д.

Растительная клетка как осмотическая система. Под осмосом понимается диффузия воды через полупроницаемые мембраны. Полупроницаемость мем­бран — это их свойство пропускать воду и не пропус­кать растворенные вещества. Явление осмоса было от­крыто в 1828 г. французским ботаником Дютроше. Поз­же Пфеффером были сконструированы физические приборы — осмометры (осмотические ячейки).

Осмометр представляет собой систе­му с тремя элементами: полупроницаемая мембрана, раствор определенной концентрации и вода. В этой системе энергия молекул чистой воды (водный по­тенциал) выше, чем воды в растворе. Поэтому вода будет проходить по градиенту водного потенциала из наружного сосуда во внутренний сосуд и поднимать­ся по трубке, соединенной с внутренним сосудом. При этом будет повышаться гидростатическое дав­ление, под которым находится раствор в осмометре. При некоторой высоте столба раствора в трубке ско­рости диффузии воды из наружного сосуда во внут­ренний и из внутреннего в наружный сравняются, и подъем жидкости в трубке прекратится. Давление, которое отвечает такому равновесию, служит коли­чественной характеристикой процесса осмоса. Оно называется осмотическим давлением.Следовательно, осмотическое давление равно тому давлению, которое нужно приложить к раство­ру, чтобы привести его в равновесие с чистым ра­створителем, отделенным от раствора полупроницаемой мембраной.

Живая растительная клет­ка обладает свойствами толь­ко что разобранной осмоти­ческой системы. Поскольку молекулы воды проходят че­рез клеточные мембраны на­много быстрее, чем раство­ренные вещества, можно с известной долей погрешности говорить о полупроницаемости мембран. Роль полупро­ницаемой мембраны (хоть и не идеальной) выполняют, прежде всего, плазмалемма и тонопласт, раствора ­клеточный сок вакуоли клетки.

Передвижение воды через полупроницаемые мем­браны подчиняется следующим законам:

1. Осмотическое давление прямо пропорциональ­но концентрации раствора — числу частиц в единице объема независимо от размеров и природы частиц (молекул или ионов).

2. Всякое вещество, концентрация которого равна 1 моль/л, развивает осмотическое давление, равное 22,4 атм (для неэлектролита) при 0°С.

3. Осмотическое давление пропорционально абсо­лютной температуре Т = 273 + t °С.

4. Осмотическое давление раствора, содержащего несколько веществ, равно сумме осмотических давле­ний, вызываемых каждым из них.

Осмотическое давление подчиняется в общем виде закону Вант-Гоффа и выражается уравнением Р = CRTi, где Р — осмотическое давление; С — молярная концентрация раствора; R — газовая постоянная, рав­ная 0,0821 л · атм / град. моль; Т — абсолютная темпера­тура; i — изотонический коэффициент, показывающий отношение числа частиц (молекул и ионов) в растворе к исходному числу молекул растворенного вещества. Для растворов неэлектролитов, например для сахара, изотонический коэффициент равен 1, для электроли­тов — больше 1.

Если клетку поместить в воду, то она, как и осмо­метр, будет поглощать ее и тем сильнее, чем выше кон­центрация клеточного сока. Но до каких пор клетка будет поглощать воду? При всасывании клеткой воды объем клеточного сока увеличивается, и цитоплазма на­чинает давить на оболочку клетки, растягивая ее. Обо­лочка, обладая значительной прочностью и вместе с тем эластичностью, в свою очередь оказывает сопротивле­ние всякой силе, стремящейся ее растянуть, и тем боль­шее, чем более она растянута. После прекращения дей­ствия растягивающей силы стенка снова возвращается к своим прежним размерам. Напряженное состояние клеточной стенки, вызванное давлением клеточного содержимого, носит название тургора, а противодавле­ние оболочки на протопласт — тургорного давления.

По мере поступления воды в клетку эндосмос по­степенно уменьшается в силу противодавления клеточ­ной стенки. В какой-то момент внутренние и внешние силы диффузии становятся равными. Это состояние называется полным насыщением клетки водой. В дан­ном случае клетка находится в равновесии с водой, осмотическое давление клеточного сока уравновешено тургорным давлением: Р = Т. Иначе можно это запи­сать так: Р — Т = 0. В этом состоянии вода не входит в клетку и не выходит из нее, как бы высоко ни было ее осмотическое давление Р. Примером этого могут слу­жить клетки водорослей и водных высших растений. Их клетки всегда находятся в состоянии почти полного насыщения.

Клетки наземных растений, наоборот, почти никог­да не бывают полностью насыщенными водой. Благо­даря потере воды листьями в процессе транспирации они обычно не достигают состояния полного тургора. Часть осмотического давления Р остается неуравнове­шенной тургорным давлением Т, и эта часть осмоти­ческого давления способна при погружении такой клетки в воду вызывать приток воды в клетку и неко­торое увеличение размеров последней. В данном слу­чае Р будет больше Т: Р = T+S или S = Р — Т. Эта дополнительная часть осмотического давления получи­ла название сосущей силы S . Название не совсем удачное, ибо это не сила, а давление, как и Р и Т, раз­ность между которыми она представляет. Следует под­черкнуть, что именно сосущая сила клетки, а не осмо­тическое давление клеточного сока определяет погло­щение воды клеткой.

По отношению к концентрации клеточного сока внешние растворы могут быть: гипертоническими, осмотическое давление которых больше осмотического давления клеточного сока; изотоническими, осмотическое давление которых равно осмотическому давлению клеточного сока; гипотоническими, у которых это давление мень­ше, чем давление клеточного сока.

При помещении живой растительной клетки не в воду, а в гипертонический раствор тургор будет стре­миться к нулю, а сосущая сила — к величине полного осмотического давления S = Р. В данном случае будут происходить следующие явления: раствор оттянет воду из клетки, клеточная стенка сократится, сократится и цитоплазма клетки, тургор исчезнет. Раствор начнет входить в пространство между стенкой и цитоплазмой, т. е. цитоплазма будет отходить от клеточной стенки. Это отставание цитоплазмы от оболочки клетки при погру­жении последней в гипертонический раствор называ­ется плазмолизом. Плазмолиз свидетельствует о том,что имеются различия в проницаемости клеточной стенки и цитоплазмы, и, что самое главное, показыва­ет, что цитоплазма жива.

Если плазмолизированную клетку снова поместить в воду, то происходит обратная картина: клетка всасы­вает воду, объем протопласта увеличивается; цитоплаз­ма начинает плотно примыкать к стенке клетки. Пере­ход плазмолизированной клетки в нормальное состоя­ние носит название деплазмолиза.

Различают уголковый, вогнутый (судорожный) и выпуклый виды плазмолиза. При уголковом плазмолизе цитоплазма отстает только по уголкам клетки. При вогнутомплазмолизе цитоплазма становит­ся угловатой, сохраняет в виде выступов те участки, которые более плотно связаны с клеточной стенкой. Длительный вогнутый плазмолиз можно получить, предварительно обработав клетки солями двухвалент­ных металлов, например кальция. Выпуклый плазмолиз быстро проявляется при низкой вязкости цитоплазмы, например, при воздей­ствии одновалентных металлов. В этом случае разбух­шая цитоплазма в виде колпачка прикрывает сократив­шийся тонопласт.

В природной обстановке, например при пересадке растений на засоленную почву, осмотическое давление почвенного раствора может быть выше, чем осмоти­ческое давление клеточного сока. В этом случае не только будет поглощаться такими клетками, но, наоборот, будет выходить из клеток, вызывая обезво­живание последних, а затем и отмирание растения.

Основные формы плазмолиза (схема): 1- начальная стадия; 2 — вогнутый; 3 — выпуклый (время перехода от вогнутого плазмолиза к выпуклому служит показателем вязкости цитоплазмы); 4 — судорожный (при быстром действии концентрированного плазмолитика и высокой степени вязкости цитоплазмы).

Если потеря тургора происходит не в растворе, как при плазмолизе, а от высыхания в воздухе в жаркие дни, то наблюдается явление циторриза.Цитоплазма при этом от клеточной стенки не отстает, а остается как бы припаянной к ней. Стенки клеток, выпячиваясь внутрь, деформируются, стремятся разорвать цитоп­лазму с определенной силой (силой циторриза). В дан­ном случае тургор — величина отрицательная, а сосу­щая сила равна сумме осмотического и тургорного давлений: S = Р — (-Т) = Р + Т. Сила циторриза может достигать величины поряд­ка 12-15 атм. Зависимость всех трех рассматриваемых величин от степени насыщения клетки водой показана на схе­ме.

Внешние условия существенно влияют на показа­тели осмотического давления и сосущей силы. Они очень низкие у водных растений (за исключением растений морей и других засоленных водоемов) и растений болот и высокие — у растений засушливых мест. У морских водорослей осмотическое давление достига­ет 25 — 30 атм. Клетки растений, произрастающих на засоленных почвах, развивают давление, измеряемое 100-150 атм. Растения открытых местообитаний отли­чаются более высокими величинами осмотического дав­ления и сосущей силы, чем растения затененных мест.

Камбиальные клетки стволов древесных растений имеют осмотическое давление 20 — 30 атм. Паренхим­ные клетки содержат клеточный сок в концентрациях, соответствующих осмотическому давлению 4 — 5 атм. Сосущая сила клеток хвои ели в таежной зоне дости­гает 15 — 35 атм, а поглощающих корней колеблется от 6 до 8 атм (у сосны — от 6 до 11 атм).

Для определения осмотического давления исполь­зуют плазмолитический и криоскопический методы. Плазмолитический метод основан на том, что в растворах плазмолитиков (веществ, вызывающих плаз­молиз) разной концентрации начало уголкового плазмо­лиза клеток будет наблюдаться в том из них, осмотичес­кое давление которого почти соответствует осмотичес­кому давлению клеточного сока (изотонический раствор). Криоскопический метод основан на определе­нии температуры замерзания отжатого клеточного сока.

Сосущую силу можно определить, основываясь: на измерении размеров ткани, помещенной в растворы различных концентраций (метод Уршпрунга); на измерении концентрации растворов, в кото­рые помещены кусочки ткани с помощью рефракто­метра (метод Н.А. Максимова и Н.с. Петинова) или по методу струек В.С. Шардакова. Размеры клеток и кон­центрация внешнего раствора не изменятся при поме­щении в него ткани в том случае, когда сосущие силы раствора и клеток совпадают.

Осмотические свойства клеток не только опреде­ляют поглощение воды растением, но и лежат в основе многих физиологических процессов, определяют раз­личные виды движений у растений, в частности движения устьиц. От осмотических явлений в значитель­ной мере зависит рост клеток. Упругое состояние тка­ней и органов растения (их тургесцентность) влияет на внешний вид и форму растения. Большая роль при­надлежит осмотическим явлениям в передвижении воды и растворенных веществ, устойчивости растений к неблагоприятным внешним воздействиям, регулиро­вании такого сложного процесса, как фотосинтез.

Термодинамические основы водного обмена.Введение в физиологию растений понятий термодинамики дало возможность математически описать и объяснить причины, вызывающие как водообмен клеток, так и транспорт воды в системе почва — растение — атмосфера. Важнейшим термодина­мическим показателем состояния воды в системе является вод­ный потенциал. Это производная величина от двух других термо­динамических показателей — активности и химического потен­циала воды.

Активность воды (а_w). Характеризует ту эффективную (реаль­ную) концентрацию, соответственно которой вода участвует в различных процессах. Всякие межмолекулярные и иные взаимо­действия, уменьшающие подвижность и рассеиваемость молекул (прежде всего гидратация), снижают активность воды. Актив­ность чистой воды равна единице. В растворе и в клетке активность воды всегда меньше единицы.

Химический потенциал воды (μ_w). Величина, производная от активности. Она выражает максимальное количество внутренней энергии молекул воды, которое может быть превращено в рабо­ту, имеет размерность Дж-моль -1 и рассчитывается по уравнению

где μ_w 0 , — химический потенциал чистой воды (принят равным нулю); R — газовая постоянная; Т- абсолютная температура; а_w — активность воды в системе.

Водный потенциал (ψ). Выражает способность воды в данной системе совершить работу по сравнению с той работой, которую при тех же условиях совершила бы чистая вода. Рассчитывается по уравнению

где μ_w и μ_w 0 — химические потенциалы воды в системе и чистой воды; — парциальный мольный объем воды (для чистой воды и разбавленных растворов принимают равным 18 см 3 -моль -1 ).

Водный потенциал, являясь фактически мерой активности воды, определяет термодинамически возможное направление ее транспорта. Молекулы воды всегда перемещаются от более высо­кого водного потенциала к более низкому, подобно тому как вода течет вниз, переходя на все более низкий энергетический уровень. Когда система находится в равновесии с чистой водой, ψ=0. В почве, растении, атмосфере активность воды и способность со­вершать работу ниже, чем у чистой воды, поэтому у обычно отрицателен. Водный потенциал имеет размерность энергии, деленной на объем, что позволяет выражать его в атмосферах, барах или паскалях (1 атм = 1,013 бар = 105 Па; 10 3 Па = 1 кПа, 106 Па = 1 МПа).

Водный потенциал растения является алгебраической суммой следующих четырех составляющих:

где ψ_π — осмотический, ψ_m — матричный, ψ_p — гидростатический, ψ_g — гравита­ционный потенциалы.

Соотношение между ними и вклад в водный потенциал силь­но различаются в зависимости от объекта и окружающих усло­вий.

Гравитационный потенциал (ψ_g). Отражает влияние на актив­ность воды силы тяжести и заметно сказывается только при поднятии воды на относительно большую высоту. Он составляет примерно 0,01 МПа-м -1 , т.е. при перемещении воды вертикаль­но вверх на 10 м гравитационный вклад в водный потенциал составляет 0,1МПа. Это незначительная величина для сельскохозяйственных растений, в том числе и плодовых культур, поэто­му обычно она не учитывается.

Осмотический потенциал (ψ_π). Компонент водного потенциа­ла характеризующий снижение активности воды частицами рас­творенного вещества. Поэтому осмотический потенциал всегда является величиной отрицательной:

где R — газовая постоянная; Т — абсолютная температура; с — концентрация рас­твора в молях; i — изотонический коэффициент, равный 1+α(n-1), где α — степень электролитической диссоциации; п — количество ионов, на которое рас­падается молекула электролита.

Для веществ, не диссоциирующих на ионы, α=0 и n=1. Сте­пень диссоциации электролита, как известно, зависит от кон­центрации раствора, физиологическое значение имеют 0,1- 0,5 М растворы солей, для которых i составляет 0,7-0,8.

С увеличением количества частиц растворенного вещества как за счет повышения концентрации раствора, так и за счет диссо­циации веществ уменьшается активность воды и снижается ос­мотический потенциал. При температуре 20 °С величина RT равна 2,44 МПа. Для 1 М раствора любого недиссоциирующего вещества осмотический потенциал равен -2,44 МПа, для 0,5 и 2 М растворов соответственно -1,22 и -4,88 МПа. Диссоциация растворенных веществ на ионы усиливает депрессию осмотичес­кого потенциала. Осмотический потенциал 0,5 М раствора КNО₃ составляет -2,1 МПа (i=1,7), для 0,5 М раствора Са(NО₃)₂ он равен -2,9 МПа (i=2,4).

Когда раствор отделен от воды полупроницаемой мем­браной, которая пропускает только раствори­тель и непроницаема для рас­творенных веществ, возника­ет односторонний ток воды по градиенту ее активности в направлении раствора. Этот процесс называется осмосом, а дополнительное давление, которое должно быть приложено к раствору, чтобы воспрепятствовать одностороннему току воды – осмотическим давлением (π).

Таким образом, осмотический потенциал раствора, отделен­ного полупроницаемой мембраной от чистого растворителя, реа­лизуется в равном по величине и обратном по знаку осмотичес­ком давлении. Растворы с одинаковым давлением называются изотоническими, между ними нет направленного водообмена. Раствор, имеющий большее осмотическое давление, называется гипертоническим, меньшее — гипотоническим. При разделении полупроницаемой мембраной транспорт воды идет по направле­нию к гипертоническому раствору.

Клетка, а также все органеллы, окруженные мембранами (хлоропласты, митохондрии и др.), представляют собой осмоти­ческие системы. Поскольку мембраны обладают избирательной проницаемостью, и вода проходит через них значительно легче, чем растворенные вещества, допускают, что мембраны полупроницаемы, т.е. проницаемы только для воды. Всю цитоплазму обычно рассматривают как единый полупроницаемый барьер.

В зрелых растительных клетках главным «осмотическим про­странством» является вакуоль. Именно клеточный сок, содержа­щий растворенные в воде различные соли, сахара, органические кислоты, аминокислоты и другие соединения, представляет собой осмотический актив клетки. Суммарная концентрация растворенных веществ в клеточном соке варьирует от 0,2 до 0,8М. Осмотический потенциал клеточного сока измеряется со­тнями и достигает тысяч кПа.

Растительные клетки отличаются от идеальных осмотических систем тем, что мембраны в некоторой степени проницаемы и для растворенных веществ. Это снижает осмотический градиент и возможность поступления воды. Отличие от идеального пове­дения можно выразить с помощью коэффициента селективнос­ти, или отражения (σ). В случае абсолютной селективности рас­творенное вещество «отражается» от мембраны, т.е. совершенно не проникает через нее (σ=1). Если мембрана в одинаковой степени проницаема и для воды, и для растворенного вещества, становится равным 0, осмотического поступления воды нет. Коэффициент отражения зависит от свойств мембран и природы веществ. Так, для корней кукурузы получены следующие значе­ния σ: этанол 0,27, маннитол 0,74, сахароза 0,54, полиэтиленгликоль 0,82, NaCI 0,64, KNO₃ 0,6, которые фактически характе­ризуют эффективность мембранного барьера в поддержании ос­мотического градиента. В качестве осмотически активных веществ при определении термодинамических параметров расти­тельных тканей необходимо использовать соединения со значе­нием о, близким к 1, например полиэтиленгликоль.

Матричный потенциал (ψ_m). Характеризует снижение актив­ности воды за счет гидратации коллоидных веществ и адсорб­ции на границе раздела фаз. Матричное связывание воды сопровождается увеличением объема и называется набуханием. В протоплазме преобладает набухание за счет гидратации белков, нуклеиновых кислот, углеводов; в клеточной стенке наблюда­ются капиллярный эффект (вода между микрофибриллами и в межмицеллярных пространствах) и гидратация полисахаридов, среди которых по способности к набуханию выделяются пек­тиновые вещества, содержащие диссоциированные карбоксильные группы.

Состояние набухания протоплазмы имеет решающее значение для интенсивности и направленности обмена веществ. В некото­рых частях растений поглощение воды происходит исключитель­но путем набухания, например у семян, меристематических тка­ней, клетки которых еще не вакуолизированы. При набухании семян может развиваться давление, измеряемое десятками МПа. Особенно сильной способностью к набуханию отличаются семе­на бобовых культур с высоким содержанием белков.

Между осмосом и набуханием существует аналогия. Осмотичес­кое и матричное связывание снижает активность воды; поэтому ψ_π и ψ_m всегда меньше нуля. Чем более отрицательное значение они имеют, тем выше способность клеток и тканей поглощать воду. Осмотическому давлению π соответствует давление набухания τ. Сухое набухающее тело обладает потенциальным давлением на­бухания, которое так же, как и потенциальное осмотическое давле­ние, характеризует максимальную способность поглощать воду.

Гидростатический потенциал, или потенциал давления (ψ_р). Компонент водного потенциала, обусловленный внутриклеточ­ным давлением. При погружении растительной ткани, имеющей зрелые сильно вакуолизированные клетки, в гипотонический рас­твор наблюдается эндоосмос. При отсутствии противодавления клеточной стенки поступление воды в клетку определяется ее водным потенциалом (ψ), в начальный момент времени равным осмотическому потенциалу (ψ_π) раствора, заполняющего вакуоль, вклад матричных сил очень незначительный, и им можно прене­бречь. Однако по мере поступления воды в вакуоль ее объем увеличивается, цитоплазма прижимается к клеточной стенке и возникает тургорное давление, а вместе с ним и равное ему по величине противодавление стенки на клеточное содержимое.

Таким образом, осмотическое поглощение воды ведет к созда­нию гидростатического давления. Под давлением активность воды возрастает, поэтому гидростатический потенциал имеет по­ложительное значение. При полном насыщении клетки водой (достижении максимального тургора) положительный потенциал Давления полностью уравновешивает отрицательный осмотичес­кий потенциал и клетка перестает поглощать воду. В таком стоянии ее водный потенциал равен нулю.

В любой момент времени водный потенциал вакуолизированной клетки определяется соотношением осмотического потенциала и потенциала давления: ψ = ψ_π + ψ_р. При завядании расте­ний гидростатическое давление равно нулю,

Восстановление тургесцентности сопровождается возникнове­нием и возрастанием гидростатического давления. Водный по­тенциал имеет отрицательную величину, когда осмотический по­тенциал еще не полностью реализован в гидростатическом давле­нии и клетка способна поглощать воду. Водный потенциал равен нулю, когда потенциал давления полностью компенсирует осмотические силы. Величина будет положительной, если гидростатическое давление превосходит эти силы. Такая ситуация наблюдается в клетках, приле­гающих к сосудам ксилемы и подающих туда воду.

Необходимо также обратить внимание на то, что в соседних клетках соотношения осмотического и гидростатического потен­циалов могут быть разными. У клеток с более низким осмоти­ческим потенциалом возможен более высокий потенциал давле­ния в результате большей насыщенности водой. Поэтому ее вод­ный потенциал окажется выше, чем в соседней клетке, и транспорт воды осуществляется против осмотического градиента. Этим растительные клетки существенно отличаются от класси­ческого осмометра, где в результате неограниченного увеличения объема нет гидростатического потенциала и поступление воды идет только по осмотическому градиенту.

В клетках, которые поглощают воду в основном за счет мат­ричных сил, также возникает гидростатическое давление. Про­топлазма не может достичь состояния максимального набухания, так как гидростатическое давление, которое проявляется вследствие обусловленного набуханием притока воды, противодействует этому. Способность таких клеток поглощать воду зависит от соотношения матричных сил и потенциала давления:

Таким образом, осмотический и матричный потенциалы оп­ределяют максимальную поглотительную способность, реальная же возможность поглощать воду в данный момент характеризует­ся водным потенциалом, составляющим которого является гидростатический потенциал, зависящий от степени насыщен­ности клеток водой.

Источник