Осмос. Осмотическое давление

Особым видом диффузии является диффузия растворителя через полупроницаемую мембрану, которая непроницаема или ма­лопроницаема для многих растворенных веществ. Растворитель способен проходить через такую мембрану, если размеры его мо­лекул соответствуют величине пор в ней или если он способен растворяться в веществе мембраны. Свойствами полупроницаемой мембраны обладают наружные слои протоплазмы любой животной или растительной клетки. Растворитель движется через мембрану в двух направлениях, но скорость его движения в сторону раствора с большей концентрацией растворенного вещества и меньшей - растворителя значительно выше, чем в обратном направлении. Такая односторонняя диффузия растворителя через полупроницае­мую мембрану получила название осмоса. Как любая диффузия, осмос может привести к выравниванию концентраций в раство­рах, разделенных мембраной. В этом случае устанавливается ос­мотическое равновесие, при котором в обоих направлениях через мембрану проходит одинаковое количество растворителя.

Сила, вызывающая осмос, получила название осмотического давления. Величина его зависит от количества частиц растворен­ного вещества в единице объема раствора и от скорости их дви­жения (размер частиц и их электрический заряд не имеют зна­чения). Если известны концентрация и температура раствора, ос­мотическое давление можно рассчитать по формуле:

Росм = СRТ,

где Росм - осмотическое давление, С - молярная концентрация раствора, R - газовая постоянная, T - абсолютная температура.

Эта формула справед­лива для растворов неэлектролитов; для электролитов в нее вво­дится поправочный изотонический коэффициент, учитывающий степень диссоциации электролита на ионы.

Осмотическое давление можно измерить. Оно равно тому внеш­нему давлению на раствор, при котором устанавливается осмоти­ческое равновесие.

Растворы, имеющие при одинаковых условиях равную концент­рацию частиц растворенного вещества и, следовательно, равное осмотическое давление, называются изотоническими. Растворы с разным осмотическим давлением называются анизотоническими. Из двух анизотонических растворов раствор с меньшим осмотиче­ским давлением называется гипотоническим, с большим - гипер­тоническим.

Если живую клетку окружает изотонический раствор, то меж­ду ним и клеткой существует осмотическое равновесие, и клетка не подвергается изменениям. При необходимости ввес­ти человеку внутривенно или подкожно какие-либо лекарственные вещества, их растворы должны быть изотоничны по отношению к клеточному содержимому.

Если живую клетку поместить в гипотонический раствор, то вода из него осмотическим путем будет проникать в клетку и оказывать избыточное давление на ее стенки. При таком движе­нии растворителя концентрация внутриклеточного раствора и его осмотическое давление постепенно уменьшаются, а гидроста­тическое давление содержимого клетки на ее стенки возрастает. Когда внутриклеточное осмотическое давление незначительно пре­обладает над наружным, клетка находится в нормальном для нее напряженном состоянии, называемом тургором. При значительном преобладании внутриклеточного осмотического давления избыточ­ное поступление воды в клетку может привести к нарушению ее функционирования и даже разрыву клеточной оболочки, т. е. гибели клетки (лизису). Для клеток крови этот процесс носит название гемолиза. Если осмотическое давление наружного раствора больше, чем внутриклеточное, то из клетки выходит больше воды, чем проникает в нее. Вследствие этого происходит сжатие прото­плазмы клетки, называемое плазмолизом. При дли­тельном таком состоянии функции клетки нарушаются, и она гибнет. Плазмолиз является одной из причин гибели организма от жажды.

Осмотическое давление живых клеток зависит от протекаю­щих в них химических процессов. Превращение растворимых ве­ществ в нерастворимые, образование полимерных молекул из мономеров понижают осмотическое давление. Обратные процессы по­вышают его.

Клеточная оболочка обладает только некоторыми свойствами полупроницаемой мембраны. Она непроницаема не для всех ве­ществ, растворимых в воде, и величина осмотического давления внутри клеток зависит не от общего содержания веществ, раство­ренных в клеточном соке, а только от концентрации некоторых из них. Кроме того, проницаемость клеточной оболочки для раз­личных веществ может меняться в зависимости от функциональ­ной активности клетки. Поэтому проникновение веществ через клеточную оболочку представляет собой более сложный процесс, чем осмос, наблюдаемый в лабораторных условиях.