осмос представляет собой направленный поток молекулярных частиц через полупроницаемую мембрану. В биологии он имеет центральное значение для регулирования водного баланса в клетках.
Что такое осмос?
Осмос в переводе с греческого означает «проникновение». Это описывается как самопроизвольное прохождение растворителей, таких как вода, через избирательно проницаемую мембрану. Мембрана проницаема только для растворителя, но не для растворенных веществ. Избирательная диффузия только одного компонента приводит к уравновешиванию химического потенциала с обеих сторон мембраны.
Осмос обычен в природе. В частности, в биологических мембранах необходим селективный обмен веществ, чтобы могли происходить процессы биологического транспорта. Однако активные, энергоемкие транспортные процессы также гарантируют, что пассивно возникающее осмотическое давление не окажет разрушительного воздействия на клетку.
Хотя при нормальных процессах диффузии обратное действие невозможно, осмос - это обратимый процесс.
Функция и задача
При осмосе молекулы раствора или чистого растворителя избирательно диффундируют через мембрану до тех пор, пока химический потенциал не уравновесится с обеих сторон этой мембраны. Например, концентрированный раствор с другой стороны разбавляется растворителем до тех пор, пока создаваемое гидростатическое давление не предотвратит дальнейшую диффузию.
Молекулы могут перемещаться через мембрану независимо от того, с какой стороны они приходят. Однако они всегда с большей вероятностью распространятся в направлении наибольшей разности потенциалов.
Когда химический потенциал уравновешен, то же количество частиц перемещается слева направо и справа налево. Так что внешне уже ничего не меняется. Однако в результате желаемого разбавления концентрированного раствора большее количество жидкости скопилось на одной стороне, которая создала высокое давление (осмотическое давление). Если мембрана больше не может выдерживать давление, ячейка может быть разрушена.
Активные процессы переноса через мембрану обеспечивают удаление определенных веществ с использованием энергии. Ярким примером осмотического процесса является набухание спелой вишни при добавлении к ней воды. Вода проникает через внешнюю оболочку плода, а сахар не может выйти. Процесс разбавления внутри плода продолжается, пока он не лопнет.
Внутри организма сочетание осмотических и активных энергозатратных транспортных процессов обеспечивает бесперебойное протекание биохимических процессов в пространствах, разделенных биомембранами. Клетки могут существовать отдельно от внешней среды, но постоянно обмениваются с ней веществами.
Органеллы также присутствуют в клетке, где могут происходить отдельные реакции. Чтобы предотвратить повышение осмотического давления до такой степени, что биомембрана разорвется, молекулы вытесняются посредством активных транспортных процессов.
В клетках млекопитающих при повышении осмотического давления белок NFAT5 продуцируется в большей степени. Он обеспечивает ряд контрмеханизмов для защиты клетки от гипертонического стресса (избыточного давления). В процессе вырабатываются транспортные белки, которые, используя энергию, выводят определенные вещества из клетки. Среди прочего, мочевые вещества, такие как глюкоза и избыток электролитов, выводятся через почки, чтобы регулировать осмотическое давление в организме.
Болезни и недуги
Осмос также играет важную роль в регулировании электролитного баланса. Электролиты представляют собой растворенные соли и состоят из положительно заряженных ионов металлов, таких как ионы натрия, калия, магния или кальция, и отрицательно заряженных анионов, таких как анионы хлорида, бикарбоната или фосфата.
Они присутствуют в разных концентрациях в клетке (внутриклеточная), вне клеток (интерстициальная) или в кровотоке (внутрисосудистая). Разница в концентрации генерирует электрическое напряжение на клеточных мембранах и, таким образом, запускает множество процессов на клеточном уровне. При нарушении разницы концентраций нарушается и весь электролитный баланс.
Почки регулируют этот баланс электролитов с помощью различных механизмов, таких как механизмы жажды, гормональные процессы или пептиды, действующие на почки. При сильной диарее, рвоте, кровопотере или почечной недостаточности может нарушиться водно-электролитный баланс. Каждый электролит может присутствовать в слишком высоких или слишком низких концентрациях.
Нарушения водного и электролитного баланса иногда опасны для жизни, в зависимости от их степени тяжести. Примеры таких состояний включают обезвоживание, гипергидратацию, гипер- и гиповолемию (объем крови увеличивается или уменьшается), гипо- и гипернатриемию, гипо- и гиперкалиемию или гипо- и гиперкальциемию.
Каждое из этих состояний требует интенсивного лечения. Как правило, водно-электролитный баланс быстро снова уравновешивается. Однако, если механизм регулирования между активными транспортными процессами и осмотическими процессами нарушается из-за почечной недостаточности или другого заболевания, могут возникнуть хронические электролитные нарушения. В результате возникают отеки, сердечно-сосудистые заболевания, отек мозга, состояния спутанности сознания или судороги.
Взаимосвязь между водно-электролитным балансом и биологическими процессами в организме настолько сложна, что подобные симптомы часто наблюдаются при всех формах электролитных нарушений. Определение электролитного баланса должно быть одним из стандартных обследований, если эти симптомы носят хронический характер.
