Осмотическое давление: секреты регуляции клеточного гомеостаза

Осмотическое давление - ключевой фактор, от которого зависит водно-солевой баланс клетки. Узнайте в этой статье, как оно устроено, от чего зависит и почему является жизненно важным для любого организма.

Что такое осмотическое давление и как оно возникает

Осмотическое давление - это избыточное гидростатическое давление раствора, отделенного от чистого растворителя полупроницаемой мембраной. Оно возникает из-за разницы концентраций растворенных веществ по разные стороны этой мембраны.

Осмотическое давление (обозначается π) — избыточное гидростатическое давление на раствор (например - кислорода и эритроцитов в крови), отделенный от чистого растворителя полупроницаемой мембраной, при котором прекращается диффузия растворителя через мембрану (осмос).

Полупроницаемая мембрана пропускает молекулы растворителя (воды), но не пропускает частицы растворенного вещества. Простейший пример - пергаментная бумага, через которую свободно диффундирует вода, но не проходит сахар или соль.

Зависимость величины осмотического давления от параметров раствора

Величина осмотического давления напрямую зависит от концентрации растворенных веществ. Чем выше концентрация, тем выше осмотическое давление. Например, 4%-ный раствор сахара создает давление около 0,3 МПа, а 53%-ный - уже около 10 МПа.

При этом осмотическое давление практически не зависит от природы самого растворенного вещества, если его концентрация одинакова. То есть 1 моль глюкозы в 1 литре воды создаст такое же давление, как и 1 моль поваренной соли при тех же условиях.

Для расчета осмотического давления разбавленных растворов используют формулу:

π = iCRT

где С - молярная концентрация раствора, R - универсальная газовая постоянная, T - температура, i - изотонический коэффициент.

Типы растворов по осмотическому давлению

По величине осмотического давления относительно клеточного содержимого выделяют:

• Изотонические растворы - их осмотическое давление равно давлению внутри клетки
• Гипотонические растворы - их осмотическое давление ниже, чем в клетке
• Гипертонические растворы - их осмотическое давление выше, чем в клетке

Гипотонический раствор вызовет набухание клетки и ее гибель. Гипертонический раствор, наоборот, вызовет сжатие клетки и тоже может привести к гибели. Поэтому для внутривенного введения чаще применяют изотонические растворы.

В то же время гипертонические растворы используются в медицине для уменьшения отеков, а гипотонические - для очищения ран от гноя.

Осмотическое давление раствора в медицине играет важную роль, поэтому врачи всегда учитывают тоничность инфузионных средств.

Роль осмотического давления в регуляции водно-солевого баланса клетки

Осмотическое давление играет ключевую роль в поддержании водно-солевого баланса клетки. Его регуляция осуществляется с помощью:

• Избирательной проницаемости клеточной мембраны
• Активного транспорта ионов через мембрану
• Синтеза и распада осмотически активных веществ в цитоплазме

При резких колебаниях осмотического давления вне клетки происходят необратимые изменения. Так, сильное снижение давления вызывает набухание клетки (плазмоптиз), а резкое повышение - ее сморщивание и отрыв мембраны от клеточной стенки (плазмолиз).

Осмотическое давление в организмах разных групп

Величина осмотического давления в клетках варьирует у различных групп организмов от нескольких атмосфер до десятков атмосфер.

У бактерий оно составляет около 20-25 атм в молодых клетках и 2-3 атм в старых. У растений может доходить до 40 атм. У млекопитающих осмотическое давление плазмы крови составляет около 7,7 атм.

Для поддержания осмотического гомеостаза у разных групп организмов выработались специальные приспособления. Например, почки у млекопитающих, солевые железы у рептилий, жабры у рыб.

Методы измерения величины осмотического давления

Для определения осмотического давления раствора используют специальный прибор - осмометр. Существует два основных метода измерения:

1. Статический - основан на определении разности уровней жидкости в двух сообщающихся трубках
2. Динамический - основан на измерении скорости протекания жидкости через мембрану при разной разности давлений

Правильный подбор полупроницаемой мембраны является ключевым моментом для точного измерения давления с помощью осмометра.

Роль осмотического давления в промышленности и медицине

Явление осмоса с использованием полупроницаемых мембран широко применяется для опреснения воды в промышленном масштабе. Кроме того, гипертонические растворы используются в медицине в качестве слабительных и для лечения отеков.

В будущем осмотическое давление может найти более широкое применение для адресной доставки лекарств в организме человека.

Осморегуляция и осмоадаптация у организмов

Многие организмы способны подстраивать внутреннее осмотическое давление под изменяющиеся внешние условия. Этот процесс называется осморегуляцией.

Например, при переходе из пресной воды в соленую у рыб происходит активный выброс ионов через жабры и синтез органических осмолитов в тканях, повышающих внутреннее давление.

Адаптация человека при смене климата

Людям, меняющим место жительства из одного климатического пояса в другой, следует постепенно адаптировать свой организм к новым условиям.

Это касается температурного режима, влажности, освещенности и других факторов, влияющих на водно-солевой баланс.

Нарушение осморегуляции и их последствия

Нарушение механизмов поддержания осмотического давления может приводить к серьезным заболеваниям. Например, при болезнях почек у человека развивается отек мозга из-за накопления жидкости.

У космонавтов в условиях невесомости также возникают проблемы с водно-солевым балансом и для их решения требуются специальные меры.

Перспективы дальнейших исследований осмотического давления

Сегодня ученые работают над созданием новых полупроницаемых мембран и осмотических насосов для использования энергии осмоса в нанотехнологиях и медицине будущего.

Кроме того, изучается возможность применения гипертонических растворов в таргетной доставке лекарств к пораженным участкам тканей и органов.

Роль осмотического давления в клеточном метаболизме

Поддержание оптимального осмотического давления в клетках имеет большое значение для нормального обмена веществ. Изменение концентрации растворов в цитоплазме влияет на активность ферментов и скорость биохимических реакций.

Влияние осмотического давления на рост и развитие растений

У растений осмос обеспечивает поступление питательных веществ из почвы в корни, а затем транспортировку их на большие расстояния вверх по стеблю и веткам. Разность осмотического давления между клетками ксилемы и флоэмы создает движущую силу для переноса органических и минеральных соединений.

Роль осморегуляции в адаптации гидробионтов

Рыбы, ракообразные, моллюски и другие водные организмы, населяющие соленые и пресные водоемы, выработали эффективные механизмы поддержания ионного и осмотического баланса для выживания в широком диапазоне солености.

Значение осмоса в пищевой промышленности

Процессы осмоса, вызванные разностью осмотического давления ингредиентов, лежат в основе производства многих пищевых продуктов. Например, соленой и копченой рыбы, сыров, ветчины, колбас.

Мембраны в нанотехнологиях будущего

Создание искусственных полупроницаемых мембран заданных свойств является актуальной задачей для использования эффекта осмоса в перспективных отраслях науки и техники, таких как фармацевтика, энергетика, опреснение воды.