ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Высокомолекулярные соединения (ВМС) – это химические соединения, молекулы которых имеют высокие молекулярные массы (от нескольких тысяч до многих миллионов). Поэтому такие молекулы называют макромолекулами. Молекулярная масса ВМС составляет 10⁴ – 10⁶ (сравним с молекулярной массой воды, которая равна 18).

Макромолекулы имеют цепное строение; состоят из одинаковых или различных структурных единиц – составных звеньев, представляющих собой атомы или группы атомов, соединённые друг с другом ковалентными связями в линейные последовательности. Последовательность соединённых друг с другом атомов, образующих собственно цепь, называют хребтом цепи, а заместители у этих атомов – боковыми группами. Макромолекулы могут иметь линейное или разветвлённое строение. В разветвлённых макромолекулах различают основную и боковые цепи.

ВМС могут быть синтетическими и природными. К синтетическим ВМС относятся, например, полиэтилен, полиамид, полистирол, фторопласты, феноло-формальдегидные смолы и другие. Большинство синтетических ВМС не растворимы в воде и являются твёрдыми веществами.

Природные полимеры принято называть биополимерами. Биополимеры это природные высокомолекулярные соединения, из которых построены клетки живых организмов, и межклеточное вещество, связывающее их между собой. К биополимерам относятся белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и так называемые смешанные биополимеры. Биополимеры обеспечивают нормальную жизнедеятельность организмов, выполняя различные биологические функции.

Белки могут выполнять в живых организмах самые различные функции: быть катализаторами биохимических реакций (ферменты) и регулировать (гормоны) биохимические реакции; входить в состав соединительной ткани (коллаген) или мышц (актин, миозин); служить резервными питательными веществами (гранулы белка в цитоплазме) и др.

Функции дезоксирибонуклеиновой кислоты – передача генетической информации из поколения в поколение при клеточном делении. Этот биополимер служит исходной матрицей при передаче информации внутри клетки. В этом процессе участвует и рибонуклеиновая кислота, процесс приводит к синтезу специфических белков клетки.

Полисахариды могут служить резервными питательными веществами (например, крахмал, гликоген), выполнять структурные функции (например, целлюлоза, полисахариды соединительной ткани), обеспечивать специфические свойства поверхности клеток (например, антигенные полисахариды микроорганизмов) или защиту организма в целом (например, камеди и слизи растений).

Наиболее распространённым классом биополимеров являются смешанные биополимеры. К этому классу биополимеров относятся соединения, построенные из мономерных звеньев, относящихся к органическим веществам различных типов. Например, гликопротеиды содержат остатки углеводов и аминокислот; липопротеиды – остатки аминокислот, жирных кислот с длинной цепью и полиолов или аминоспиртов; липополисахариды – остатки моносахаридов и липидов и т.д.

Для смешанных биополимеров характерна локализация на поверхности клетки. Они выполняют специфические биологические функции, связанные с процессами межклеточного взаимодействия. Так, способность бактериофагов поражать одни виды бактерий и не взаимодействовать с другими видами определяется специфическим строением поверхностного антитела бактерий, являющегося липосахаридом. От структуры поверхностных антигенов зависит и патогенность тех или иных бактерий. Подобные же взаимодействия с участием смешанных биополимеров происходят, по-видимому, и при других биологических процессах, в которых клетки «узнают» друг друга, например при оплодотворении, соединении клеток в ткани и клеточной дифференцировке.

ЗНАЧЕНИЕ БЕЛКОВ В ПИТАНИИ

Белки – необходимая составная часть продуктов питания. Проблема пищевого белка стоит очень остро. По данным Международной организации по продовольствию и сельскому хозяйству при ООН больше половины человечества не получает с пищей необходимого количества белка. Недостаток белка в пище вызывает тяжелое заболевание – квашиоркор.

В процессе пищеварения белки подвергаются гидролизу до аминокислот, которые всасываются в кровь. Пищевая ценность белков зависит от их аминокислотного состава, содержания в них так называемых незаменимых аминокислот, не синтезирующихся в организмах. Для человека незаменимы следующие кислоты: триптофан, лейцин, изолейцин, валин, треонин, лизин, метионин, фенилаланин. В питательном отношении растительные белки менее ценны, чем животные: они беднее лизином, метионином и триптофаном.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАСТВОРОВ ВМС

Высокомолекулярные вещества (или полимеры) растворяются в различных низкомолекулярных жидкостях, образуя устойчивые равновесные системы с молекулярной дисперсностью компонентов. Таким образом, растворы полимеров являются гомогенными системами, истинными растворами. Являясь истинными растворами, растворы ВМС всё же отличаются от растворов низкомолекулярных веществ, что связано с огромными размерами макромолекул. Однако, несмотря на огромные размеры молекул ВМС в растворах отсутствует граница раздела фаз, так как в одном направлении макромолекула имеет достаточно большую длину, а толщина макромолекулы имеет молекулярные размеры.

Кроме того, на поведение растворов полимеров сильное влияние оказывают форма и отдельные фрагменты строения макромолекул.

Растворение ВМС осуществляется с образованием менее упорядоченной системы из более упорядоченной и, значит, этот процесс протекает с увеличением энтропии (∆S > 0). Растворение ВМС – процесс самопроизвольный, следовательно, при растворении полимеров уменьшается свободная энергия: ∆G = ∆H - T∆S < 0.

Изменение энтальпии (знак ∆Н) при растворении может быть положительным (эндотермический процесс), отрицательным (экзотермический процесс) или равным нулю.

Так как растворы полимеров образуются самопроизвольно с уменьшением свободной энергии, они являются термодинамически устойчивыми системами, которые могут существовать без стабилизаторов неограниченное время. В этом заключается их основное отличие от лиофобных коллоидных систем. В отличие от лиофобных коллоидных систем растворы ВМС являются равновеснымим системами.

Растворы ВМС, подобно растворам низкомолекулярных соединений, могут быть и молекулярными, и ионными, причём в последнем случае природа зарядов связана с наличием функциональных групп.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВМС С РАСТВОРИТЕЛЕМ

При взаимодействии ВМС с растворителем происходит их набухание.

Набуханием полимера называется увеличение его объёма и массы во времени при контакте с растворителем.

При набухании объём и масса полимера могут увеличиться в 10 – 15 раз.

Количественной мерой набухания является степень набухания α:

α = ∙ 100% или α = ∙ 100%

где m₀ и V₀ – масса и объём сухого полимера; m и V – масса и объём набухшего полимера.

Набухание может быть ограниченным и неограниченным. В случае ограниченного набухания m и α достигают постоянных при данной температуре и концентрации предельных значений m_∞ и α_∞ (кривая 1) и далее не изменяются. При неограниченном набухании (кривая 2) эти параметры достигают максимальных значений, которые затем уменьшаются за счёт растворения полимера. В этом случае набухание – первая стадия растворения полимера.

Рис. 2 Кинетические кривые ограниченного (1) и неограниченного (2) набухания.

Причина набухания состоит в различии свойств ВМС и низкомолекулярных соединений (НМС). Молекулы ВМС отличаются от низкомолекулярных соединений на несколько порядков по размерам и по подвижности. Молекулы НМС быстро проникают в сетку полимера, раздвигая цепи и увеличивая его объём. Гибкость цепей ВМС облегчает проникновение малых молекул НМС в полимер. При набухании происходит одностороннее смещение малых молекул, обусловленное большими различиями в размерах молекул.

Однако набухание – это не простое механическое вхождение молекул НМС в пустоты полимера. Набухание это межмолекулярное взаимодействие, обусловленное, главным образом, сольватацией макромолекул. Полимер набухает не в любом, а лишь в «хорошем» растворителе, т.е. в том растворителе с которым он взаимодействует. Так, полярные полимеры набухают в полярных растворителях, например, белки в воде, а неполярные – в неполярных (каучук в бензоле).

Степень ограниченности процесса набухания и возможность самопроизвольного растворения определяются соотношением энергии связи в структуре полимера и энергии сольватации полимерной цепи с учётом энтропийного фактора.

Набухание сопровождает жизнедеятельность всех растительных и животных организмов. Так, первой фазой прорастания зерна является его набухание, т.е. увеличение его объёма после смачивания. Лишь после набухания зерна возможны реакции, сопровождающие рост и развитие, не идущие при сухом состоянии.

Почки человека помимо основной функции (выведение из организма продуктов обмена) осуществляют регулирование воды, а их соединительная ткань служит индикатором водного обмена между кровью и клетками. Вследствие набухания соединительная ткань способна воспринимать излишек воды и отдавать его клеткам или направлять в кровь.

В период интенсивного роста организма, усиленного деления клеток степень набухания велика. Так, например, в начале утробной жизни младенца степень набухания велика и вода составляет 95% массы плода. Содержание воды у новорожденного составляет уже 70 – 75%, у взрослого 50 – 60%. Постепенное старение организма сопровождается уменьшением способности к набуханию, в живом организме к старости замедляются процессы обмена, происходит буквально высыхание человека, уменьшается его объём. Появляются морщины, являющиеся характерным признаком старости.

ВЯЗКОСТЬ РАСТВОРОВ ПОЛИМЕРОВ

Вязкость жидкостей можно для простоты определить как сопротивление жидкости передвижению одного её слоя относительно другого при сдвиге, растяжении и других видах деформации.

Вязкость характеризуют интенсивностью работы, затрачиваемой на осуществление течения газа или жидкости с определённой скоростью. При ламинарном сдвиговом течении жидкости между двумя плоскопараллельными пластинками, верхняя из которых движется с постоянной скоростью v под действием силы F , а нижняя неподвижна, слои жидкости перемещаются с разными скоростями: от максимальной у верхней пластинки до нуля у нижней. При этом касательное напряжение τ = , а скорость деформации γ = , где S – площадь пластинок, Н – расстояние между пластинками. Если между τ и γ имеется линейная зависимость, жидкость называется ньютоновской, а отношение τ : γ называется динамической вязкостью (или просто вязкостью) η. Жидкости для которых эта зависимость является нелинейной называются неньютоновскими.

Истинные растворы низкомолекулярных соединений являются ньютоновскими жидкостями, для них вязкость описывается уравнением Ньютона:

F = η∙s

где F – сила, необходимая для возникновения перемещения двух соседних слоёв раствора; du / dx –градиент скорости; η – коэффициент вязкости. Вязкость, вычисленная по уравнению Ньютона, не зависит от напряжения сдвига, определяемой действующей силой, типом вискозиметра и т.д. Величина вязкости при данной температуре для НМС является инвариантной (неменяющейся) характеристикой.

Вязкость золей (η) описывается уравнением Эйнштейна:

η = η₀(1 + 2,5φ)

где η₀ – вязкость дисперсионной среды; φ – объёмная концентрация дисперсной фазы.

[Эйнштейн Альберт (1879-1955), физик-теоретик, один из основателей современной физики, иностранный ч.-к. Российской АН. Эйнштейн создал теорию относительности, является автором основополагающих трудов по квантовой теории света: ввёл понятие фотона (1905), установил законы фотоэффекта и многое другое. Развил статистическую теорию броуновского движения, создал квантовую статистику и т.д. С 1933 г работал над проблемами космологии и единой теории поля. Нобелевская премия (1921)].

Уравнение Эйнштейна пригодно только при условии, что взвешанные в жидкости частицы являются твёрдыми шарообразными телами, концентрация дисперсной фазы сравнительно невелика и между частицами отсутствуют взаимодействия.

Вязкость растворов, содержащих макромолекулы, обычно выше вязкости растворов низкомолекулярных веществ и вязкости коллоидных систем при одной и той же концентрации. Например, вязкость 1%-ного раствора каучука в бензине в 18 раз выше вязкости чистого бензина.

Вязкость растворов ВМС не является постоянной величиной; она зависит от условий измерения, в первую очередь от скорости движения раствора в вискозиметре. Вычисленная по уравнению Ньютона вязкость в этом случае является чисто условной величиной и называется эффективной вязкостью. Растворы ВМС являются неньютоновскими жидкостями, так как они не обладают постоянной вязкостью. У растворов ВМС наблюдается аномалия вязкости.

В растворах полимеров происходит образование пространственных структур, образуемых сцеплением макромолекул, что и вызывает резкое повышение вязкости. При течении растворов полимеров работа затрачивается не только на преодоление истинной (ньютоновской) вязкости, но и на разрушение структуры раствора.

Вязкость растворов ВМС зависит от условий определения, в частности от напряжения сдвига. Это связано с тем, что одни и те же макромолекулы могут находиться в различных конформационных состояниях; от линейных до глобул.

{Напомним, что: а) различные геометрические формы молекул, переходящие друг в друга путём вращения вокруг σ-связей, называются конформациями; б) глобулы – это коллоидные частицы сферической формы или макромолекулы, свёрнутые в клубок). }.

По этой причине вязкость концентрированных растворов ВМС может быть неодинаковой (анизотропной) в различных направлениях. Вязкость макромолекул с выпрямленными и ориентированными хаотично по отношению к направлению движения звеньями выше, чем вязкость макромолекул, которые имеют форму клубка или глобул.

Если вязкий раствор ВМС продавливать под давлением через капилляр, то макромолекулы будут ориентироваться и вытягиваться в капилляре, а поэтому наблюдаемая вязкость раствора снижается.

Вязкость растворов ВМС в значительной степени зависит от температуры и свойств растворителя. Растворители способны влиять на конформационную форму макромолекул и за счёт этого изменять вязкость одного и того полимера в разных растворителях. Таким образом, вязкость растворов ВМС определяется природой полимера и природой растворителя.

Точное измерение абсолютной вязкости растворов полимеров затруднительно. Поэтому для растворов ВМС различают относительную, удельную, приведённую и характеристическую вязкость.

Относительная вязкость – это отношение вязкости раствора полимера η_р к вязкости растворителя η₀

η_отн =

Относительную вязкость можно определить по времени истечения раствора ВМС t_p и растворителя t₀ через калиброванное отверстие вискозиметра:

η_отн =

Относительная вязкость является мерой изменения вязкости раствора по сравнению с вязкостью чистого растворителя. Для растворов макромолекул относительная вязкость η_отн обычно больше единицы.

Удельная вязкость – отражает возрастание относительной вязкости по сравнению с единицей:

η_уд = η_отн – 1.

Чтобы учесть влияние концентрации раствора, т.е. оценить, насколько велика удельная вязкость, отнесённая к единице концентрации растворённого вещества, η_уд делят на с. Полученная величина называется приведённой вязкостью. Её величина выражается следующей формулой

η_привед =

Так как η_уд сама зависит от концентрации, приходится вводить ещё одну величину [η] (собственную вязкость), которую получают путем экстраполяции зависимости η_уд / с от концентрации раствора с.

Рис.3 Определение характеристической вязкости полимеров

Величину [η] называют характеристической вязкостью или предельным числом вязкости.

[η] = lim

C → 0

Характеристическую вязкость определяют на основании вискозиметрических измерений, используя значения относительной, удельной и приведённой вязкости в качестве вспомогательных величин.

Характеристическая вязкость для данной пары веществ (растворитель – полимер) является условной, но постоянной величиной, которая не зависит от концентрации растворителя и конформационных состояний макромолекул.

В 1930 г Штаудингером было предложено полезное соотношение между молекулярной массой и характеристической вязкостью.

[η] = KM

Это соотношение имело ряд недостатков. Поэтому позже оно было модифицировано. В настоящее время оно известно, как уравнение Марка-Куна-Хаувинка и имеет следующий вид:

[η] = KM ^α,

где К – постоянная величина, экспериментально определяемая для данных макромолекул и растворителя. Показатель степени α зависит от формы макромолекул. Для белков компактной структуры – глобулярных белков – он составляет около 0,5. Для молекул, находящихся в конформации беспорядочного клубка, показатель степени возрастает до 2. Молекулярная масса, определяемая по уравнению Марка-Куна-Хаувинка, называется средневязкостной молекулярной массой М_η.

Величина характеристической вязкости позволяет определить как относительную молекулярную массу полимера, так и размеры и форму его макромолекул. Например, если растворы белков характеризуются величинами [η, лежащими между 3,0 и 4,0 см³/г, то столь малое значение данных величин указывает на глобулярную, весьма компактную структуру этих белков, форма которых незначительно отличается от сферы. Большие значения [η] указывают либо на высокую степень асимметричности белков, либо на большой объём, занимаемый данными белками в растворе.

ОСМОТИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ

Осмотическое давление – это одна из основных характеристик растворов как низкомолекулярных веществ, так и растворов полимеров. Основная трудность при изучении поведения низкомолекулярных соединений в растворе осмотическим методом заключается в сложности подбора полупроницаемой мембраны (мембраны проницаемой для растворителя, но не проницаемой для растворённого вещества).

При работе с растворами ВМС легче подобрать полупроницаемую мембрану, так как размеры молекул растворителя и растворённого вещества значительно отличаются друг от друга. Зависимость осмотического давления раствора ВМС от величины молекулярной массы этого соединения широко используется для определения молекулярной массы и исследования взаимодействия между молекулами растворителя и макромолекулами полимера в растворе.

Осмотическим методом можно определять молекулярные масса, лежащие в области 30 000 – 1 500 000. Нижний определяемый предел молекулярных масс обусловлен возможностью изготовления полупроницаемой мембраны. Верхний предел зависит от точности фиксирования высоты поднятия столба раствора в осмометре.

Если раствор полимера отделить от растворителя мембраной, не проницаемой для растворённого вещества, но проницаемой для растворителя, то растворитель диффундирует сквозь мембрану в раствор. Это явление называется осмосом. Сила, действующая на единицу поверхности, препятствующая молекулам растворителя проникать через полупроницаемую перегородку, получила название осмотического давления.

Экспериментально установлено, что осмотическое давление разбавленного раствора удовлетворяет уравнению

πV = n₁RT

в котором n₁ – число молей растворённого вещества (для которого мембрана непроницаема) в объёме V; π – осмотическое давление; R – газовая постоянная; T – абсолютная температура. Это соотношение открыто Вант-Гоффом в 1887 году. Данное уравнение идентично по форме уравнению состояния идеального газа.

Осмотическое давление можно выразить и по- другому:

π_осм = RT

где С –концентрация растворённого вещества в г/л; М – молярная масса растворённого вещества. Отсюда следует, что уравнение можно использовать для определения молярных масс.

С повышением концентрации ВМС (кроме глобулярных белков) их осмотическое давление перестаёт подчиняться закону Вант-Гофф и растёт быстрее. Причина этого явления заключается в том, что существует относительная независимость теплового движения отдельных сегментов линейных макромолекул ВМС. Каждая макромолекула ведёт себя как совокупность нескольких молекул меньшего размера. Это и проявляется в увеличении осмотического давления. Для расчёта осмотического давления растворов полимеров Галлер предложил уравнение:

π_осм = С + β

где М – молярная масса ВМС, г/моль; С – концентрация раствора ВМС, г/л; β – коэффициент, учитывающий гибкость и форму макромолекул в растворе.

Коэффициент β зависит от природы растворителя и растворённого вещества, но не зависит от молярной массы растворённого полимера. С увеличением длины макромолекулы и разветвлённости цепи величина β растёт. Увеличение эффективного числа подвижных единиц (кинетически активных единиц) в растворе учитывается дополнительным слагаемым βС². При небольших концентрациях полимера значение слагаемого невелико и уравнение Галлера переходит в уравнение Вант-Гоффа. Уравнение Галлера можно преобразовать в уравнение прямой линии, разделив обе части на С:

= + βC

Измерив осмотическое давление растворов с различной концентрацией С, можно построить графическую зависимость величины π_осм / С от С и найти значение молярной массы М полимера и коэффициент β . (β =tgα, где α – угол наклона прямой линии на графике).

Осмотическим методом обычно пользуются для определения молярных масс ВМС в интервале от 10 000 до 70 000г/моль. Нижний предел зависит от свойств мембран, а верхний определяется той чувствительностью, при которой можно измерять осмотическое давление. Погрешность результатов измерений осмотического давления растворов ВМС может быть связана с присутствием в растворе низкомолекулярных электролитов. Поэтому растворы ВМС подвергают диализу пере началом опыта.

Молекулярная масса полимера, определённая по измерению осмотического давления, называется среднечисловой молекулярной массой (М_n). Такое название понятно, так как π = сRT, то есть осмотическое давлениезависит только от числа частиц в растворе (R и Т величины постоянные).

Для определения молекулярных масс ВМС осмотический метод оказался очень полезным. В 1925 г Адер впервые достоверно определил молекулярную массу гемоглобина. Значение молекулярной массы гемоглобина равно 68 000. Эта величина позже подтверждена данными других учёных, определявших молекулярную массу гемоглобина другими методами.

Осмос играет огромную роль в природе. Все процессы обмена веществ в клетках организма – поступление питательных веществ в клетки, выделение из них продуктов обмена – имеют осмотическую природу. При осмосе молекулы растворителя преимущественно движутся через мембрану в том направлении, где концентрация частиц вещества больше, а концентрация растворителя меньше. Если осмотическое давление у растворов одинаковое, то такие растворы называются изотоническими и между ними происходит подлинно равновесный обмен молекулами растворителя. Если два раствора находятся в контакте и обладают разным осмотическим давлением, то тот раствор у которого осмотическое давление больше называется гипертоническим. Раствор, имеющий меньшее осмотическое давление, называется гипотоническим. Гипертонический раствор всасывает растворитель из гипотонического, стремясь выровнять концентрации этих контактирующих растворов, путём перераспределения растворителя.

Осмотическая ячейка – это система, отделённая от окружающей среды полупроницаемой мембраной. Все клетки живых организмов являются осмотическими ячейками. Следовательно, клетки способны всасывать растворитель из окружающей среды или отдавать растворитель из клетки в окружающую среду, что зависит от концентрации растворов, отделённых друг от друга полупроницаемой мембраной. Поэтому можно рассмотреть следующие два случая.

Эндоосмос – это движение растворителя в осмотическую ячейку из окружающей среды. Условия эндосмоса: концентрация наружного раствора должна быть меньше концентрации раствора в осмотической ячейке и осмотическое давление наружного раствора должно тоже быть меньше осмотического давления раствора внутри ячейки. В результате такого процесса растворитель (вода) диффундирует в клетку, происходит набухание клетки с появлением напряженного состояния клетки. Гидростатическое давление, возникшее во внутриклеточных структурах в результате осмоса, называют тургором. Это давление придаёт прочность и упругость тканям живых организмах.

В растительном мире тургор помогает растениям сохранять вертикальное положение и определённую форму. Если клетка отмирает, оболочка теряет свойство полупроницаемости, тургор исчезает (растение вянет).

Эндоосмос может привести к разрушению клеточной мембраны, если прочность оболочки клетки небольшая. В процессе эндосмоса клетка обводняется, разбухает и разрушается и происходит лизис клетки. Эндоосмос является причиной гемолиза эритроцитов крови, при гемолизе из эритроцитов выходит гемоглобин в кровяную плазму, эритроциты разрушаются.

Экзоосмос – это движение растворителя из осмотической ячейки в окружающую среду. Условия экзосмоса: концентрация наружного раствора должна быть больше концентрации раствора в осмотической ячейки и осмотическое давление наружного раствора должно быть больше осмотического давления раствора, находящегося внутри ячейки. При экзосмосе вода проникает из клетки в плазму, клетка сморщивается, сжимается. Это явление называют плазмолизом. При плазмолизе происходит отслаивание протопласта от клеточной стенки при действии гипертонического раствора на клетку. Экзоосмос происходит наблюдается, когда клетка находится в гипертоническом растворе. Явление экзосмоса можно наблюдать, если посыпать сахаром ягоды и фрукты или если посыпать солью мясо и рыбу. При этом уничтожаются микроорганизмы и происходит консервирование продуктов.

Осмотические свойства растворов необходимо учитывать при приготовлении физиологических растворов и растворов лекарственных препаратов для внутривенных вливаний. Вводимый раствор не должен быть токсичным и его осмотическое давление должно быть таким же, как у кровяной плазмы. Поэтому концентрацию таких растворов выражают через осмолярную концентрацию (осмолярность).

Осмолярная концентрация – это суммарное молярное количество всех кинетических активных, т.е. способных к самостоятельному движению, частиц, содержащихся в 1 литре раствора, независимо от их формы, размера и природы.

Осмолярная концентрация связана с его молярной концентрацией через изотонический коэффициент с_осм = ic(x).

В медицине обычно используют изотонические растворы, но иногда применяют и гипертонические. Так, в хирургии используют гипертонические повязки (повязки пропитанные, например, 10% раствором хлорида натрия), этими повязками покрывают раны: гипертоническаие повязки оттягивают на себя жидкость и очищают рану от микроорганизмов, продуктов распада и т.д.

У человека во многих физиологических системах осмотическое давление имеет постоянное значение. Постоянство осмотического давления называется изоосмией. Так, например, осмотическое давление в крови человека постоянно: π = 0,78 МПа (7,7 атм) при 37⁰С. В организме человека и высокоразвитых животных специальные биологические механизмы поддерживают постоянным осмотическое давление всех тканевых жидкостей. Любое нарушение осмотического давления в тканях вызывает различные заболевания.

Онкотическое давление является частью осмотического давдения крови и зависит от содержания в крови высокомолекулярных веществ (белков). Онкотическое давление крови составляет 0,5% суммарного осмотического давления плазмы крови. Онкотическое давление в большей степени зависит от содержания в крови альбуминов (80% онкотического давления создают альбумины). Это связано с тем, что у альбуминов молекулярная масса относительно мала и в крови их достаточно много. Онкотическое давление играет важную роль в регуляции водного обмена в организме. Чем больше онкотическое давление, тем больше воды удерживается в сосудистом русле и тем меньше воды переходит в ткани и наоборот. Онкотическое давление влияет на образование тканевой жидкости, лимфы и на всасывание воды в кишечнике. Поэтому при заболеваниях, сопровождающимися уменьшением концентрации в крови белков (особенно альбумина) онкотическое давление снижается. Это приводит к накоплению жидкости в межклеточном пространстве, что и вызывает появление отёков.

Даже небольшие изменения осмотического давления вызывают чувство дискомфорта. Например, чувство жажды, возникающее после приёма большого количества солёной пищи, связано с тем, что при этом возрастает содержание солей в клеточном соке организма. Потребность организма в воде для уменьшения осмотического давления тканевых растворов и проявляется в виде чувства жажды. Известно, что в период сильной жары туристам и солдатам во время походов, а также рабочим горячих цехов дают солёное питьё (а ещё лучше поваренную соль). Этот, на первый взгляд,

Этот, на первый взгляд, парадокс объясняется весьма просто. При сильной жаре с потом из организма удаляется значительное количество солей. Поскольку содержание солей в поте выше, чем в клеточном соке тканей человека, это приводит к нарушению осморегуляции, и осмотическое давление тканей становится ниже нормального. Однако организм на любое отклонение (как на повышение, так и на понижение осмотического давления) отвечает одинаковой реакцией – чувством жажды. Человек пьёт воду, но она только усиливает жажду. Чтобы избавиться от жажды, надо увеличить осмотическое давление тканей, то есть ввести в них не воду, а дополнительное количество солей.

Для иллюстрации роли осмоса в природе рассмотрим механизм поступления воды и минеральных солей в ствол дерева. Клетки корневой системы растений находятся в почве и соприкасаются с почвенной жидкостью. Содержание солей в почвенной жидкости меньше, чем в клеточной жидкости. Поэтому вода засасывается клетки растений, контактирующих с почвой, разбавляя в них клеточный сок. Такой сок становится гипотоническим по отношению к соку в следующих клетках, расположенных выше, поэтому вода начинает переходить в эти клетки. Процесс передачи воды от клетки к клетке продолжается, так вода поднимается вверх и может подниматься на многие десятки метров.

Осмосом объясняется и плохое произрастание растений на засолённых почвах. На солончаках вблизи моря (или солёных озёр) почва имеет высокую влажность и содержит достаточное количество минеральных веществ необходимых для жизни растений. Однако осмотическое давление почвенной жидкости выше осмотического давления клеточной жидкости растений, поэтому вода из сока клеток уходит в почвенную жидкость. Вследствие экзосмоса на солончаках растения погибают, так как почва высасывает воду из растений.

МЕМБРАННОЕ РАВНОВЕСИЕ. УРАВНЕНИЕ ДОННАНА

В организме присутствуют соли белков, отделённые клеточной мембраной от раствора электролита. Это приводит к перераспределению электролитов в растворах и оказывает влияние на осмотическое давление растворов по обе стороны мембраны. Этот процесс подчиняется выведенному Доннаном уравнению мембранного равновесия.

Рассмотрим систему из двух растворов, отделённых друг от друга полупроницаемой перегородкой (мембраной). Пусть во внутреннем растворе находится соль белка R^‾ Na⁺. Часть молекулы соли белка (R^‾) имеет большой размер и не может проходить через мембрану. Во внешнем растворе находится хлорид натрия, т.е. ионы Na⁺ и Cl^‾ находятся с внешней стороны мембраны. Покажем это следующей схемой:

НАЧАЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ

____________________________________________________________________________

Внутренний раствор :Раствор с внешней стороны мембраны

[ R^‾ ]_внутр :[ Na ⁺]_ВНЕШН

:

[ Na ⁺]_ВНУТР :[ Cl ^‾ ]_ВНЕШН
:
[ R^‾ ]_внутр = [ Na ⁺]_ВНУТР : [Cl ^‾ ]_ВНЕШН = [Na⁺]_ВНЕШН
:
МЕМБРАНА

Квадратные скобки означают концентрацию ионов в системе. Индексы «внутр» и «внешн» относятся к начальным концентрациям указанных ионов с внутренней и внешней стороны мембраны.

Мембрана проницаема только для ионов небольшого размера, поэтому ионы хлора будут двигаться во внутренний раствор, будут стремиться равномерно распределиться по всему объёмы системы. За отрицательно заряженными ионами хлора последуют положительно заряженные ионы натрия. Пусть х означает концентрацию, которой достигли ионы хлора в момент установления равновесия в системе. Белок ( R ^‾ ) не может диффундировать через мембрану и остаётся во внутреннем растворе. В результате перераспределения ионов в момент равновесия система будет находиться в состоянии, которое мы покажем схемой:

КОНЕЧНОЕ СОСТОЯНИЕ СИСТЕМЫ

___________________________________________________________________________________

Внутренний раствор : Раствор с внешней стороны

:

[R ^‾ ]_внутр : [Cl ^‾ ]_внешн - х

:

[Na⁺]_внутр + х : [Na⁺]_внешн - х

:

[Cl ^‾ ]_внутр = х : [Cl ^‾ ]_внешн - х = [Na⁺]_внешн - х

:

МЕМБРАНА

Состояние равновесия характеризуется электронейтральностью системы. В этом случае:

[ Na ⁺]_ВНУТР ∙ [Cl ^‾ ]_внутр = [Na⁺]_внешн ∙ [Cl ^‾ ]_внешн

Подставив в это выражение значения концентраций ионов, мы получим:

(Na⁺]_внутр + х) ∙ х = ([Na⁺]_внешн - х)².

Решим это уравнение относительно х и получим следующее выражение:

Х = ([ Na ⁺]_ВНЕШН )² / [Na⁺]_внутр + 2[Na⁺]_внешн

Полученное выражение – это уравнение мембранного равновесия Доннана. Из уравнения следует, что количество NaCl, а именно х, которое диффундирует справа налево, обратно пропорционально концентрации недиффундирующего через мембрану иона (в нашем случае это R ^‾ ), слева от ме