41.1: Осморегуляція та осмотичний баланс

Last updated
Save as PDF

Page ID: 1649

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Навички для розвитку

Визначте осмос і поясніть його роль в молекулах
Поясніть, чому осморегуляція і осмотичний баланс є важливими функціями організму
Опишіть активні транспортні механізми
Поясніть осмолярність і спосіб її вимірювання
Опишіть осморегулятори або осмоконформери та те, як ці інструменти дозволяють тваринам адаптуватися до різних середовищ

Осмос - це дифузія води через мембрану у відповідь на осмотичний тиск, викликаний дисбалансом молекул по обидва боки мембрани. Осморегуляція - це процес підтримки сольового і водного балансу (осмотичного балансу) через мембрани всередині рідин організму, які складаються з води, плюс електролітів і неелектролітів. Електроліт - це розчинена речовина, яка дисоціює на іони при розчиненні у воді. Неелектроліт, навпаки, не дисоціює на іони під час розчинення води. Як електроліти, так і неелектроліти сприяють осмотичному балансу. Рідини організму включають плазму крові, цитозол всередині клітин та інтерстиціальну рідину, рідину, яка існує в просторах між клітинами та тканинами організму. Мембрани тіла (такі як плевральна, серозна і клітинна мембрани) є напівпроникними мембранами. Напівпроникні мембрани проникні (або дозволені) для певних типів розчинених речовин і води. Розчини з двох сторін напівпроникної мембрани, як правило, вирівнюються в концентрації розчинених речовин шляхом руху розчинених речовин та/або води по мембрані. Як видно на малюнку\(\PageIndex{1}\), клітина, розміщена у воді, як правило, набухає через посилення води з гіпотонічного або «низької солі» середовища. Клітина, поміщена в розчин з більш високою концентрацією солі, з іншого боку, має тенденцію змусити мембрану зморщуватися через втрату води в гіпертонічне або «високосольове» середовище. Ізотонічні клітини мають однакову концентрацію розчинених речовин всередині і зовні клітини; це вирівнює осмотичний тиск по обидва боки клітинної мембрани, яка є напівпроникною мембраною.

У лівій частині цієї ілюстрації зображені зморщені еритроцити, купані в гіпертонічному розчині. Середня частина показує здорові еритроцити, купані в ізотонічному розчині, а права - роздуті еритроцити, купані в гіпотонічному розчині. Одна з роздутих клітин в гіпотонічному розчині лопається. — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Клітини, поміщені в гіпертонічне середовище, мають тенденцію до скорочення через втрату води. У гіпотонічному середовищі клітини, як правило, набухають через надходження води. Кров підтримує ізотонічне середовище, щоб клітини не скорочувалися і не набухали. (кредит: Маріана Руїс Вільярреал)

Організм не існує ізольовано. Відбувається постійне надходження води і електролітів в систему. У той час як осморегуляція досягається через мембрани всередині організму, надлишки електролітів і відходів транспортуються в нирки і виводяться, допомагаючи підтримувати осмотичний баланс.

Необхідність осморегуляції

Біологічні системи постійно взаємодіють та обмінюються водою та поживними речовинами з навколишнім середовищем шляхом споживання їжі та води та шляхом виведення у вигляді поту, сечі та калу. Без механізму регулювання осмотичного тиску або коли хвороба пошкоджує цей механізм, існує тенденція до накопичення токсичних відходів і води, що може мати жахливі наслідки.

Системи ссавців еволюціонували, щоб регулювати не тільки загальний осмотичний тиск на мембранах, але і специфічні концентрації важливих електролітів у трьох основних відсіках рідини: плазмі крові, позаклітинної рідини та внутрішньоклітинної рідини. Оскільки осмотичний тиск регулюється рухом води по мембранах, обсяг відсіків рідини також може тимчасово змінюватися. Оскільки плазма крові є одним із компонентів рідини, осмотичний тиск має пряме відношення до артеріального тиску.

Транспортування електролітів через клітинні мембрани

Електроліти, такі як хлорид натрію, іонізуються у воді, що означає, що вони дисоціюють на іони своїх компонентів. У воді хлорид натрію (NaCl) дисоціює на іон натрію (Na ⁺) і хлорид-іон (Cl ^-). Найважливішими іонами, концентрації яких дуже тісно регулюються в рідинях організму, є катіони натрію (Na ⁺), калій (K ⁺), кальцій (Ca ⁺²), магній (Mg ⁺²) та хлорид аніонів (Cl ^-), карбонат (CO ₃ ^-2) ), бікарбонат (HCO ₃ ^-), і фосфат (РО ₃ ^-). Електроліти втрачаються з організму під час сечовипускання і потовиділення. З цієї причини спортсменам рекомендується замінювати електроліти та рідини в періоди підвищеної активності та потовиділення.

Осмотичний тиск впливає концентрація розчинених речовин в розчині. Він прямо пропорційний кількості розчинених атомів або молекул і не залежить від розміру розчинених молекул. Оскільки електроліти дисоціюють на іони своїх компонентів, вони, по суті, додають більше розчинених частинок в розчин і мають більший вплив на осмотичний тиск, на масу, ніж сполуки, які не дисоціюють у воді, такі як глюкоза.

Вода може проходити крізь мембрани шляхом пасивної дифузії. Якби іони електроліту могли пасивно дифузувати по мембранах, неможливо було б підтримувати конкретні концентрації іонів у кожному відсіку рідини, тому вони вимагають спеціальних механізмів для перетину напівпроникних мембран в організмі. Цей рух може бути здійснений шляхом полегшеної дифузії та активного транспорту. Для полегшення дифузії потрібні канали на основі білка для переміщення розчиненої речовини. Для активного транспорту потрібна енергія у вигляді перетворення АТФ, білків-носіїв або насосів для переміщення іонів проти градієнта концентрації.

Поняття осмоляльності та міліеквівалент

Для того щоб розрахувати осмотичний тиск, необхідно розуміти, як вимірюються концентрації розчинених речовин. Одиницею вимірювання розчинених речовин є моль. Один моль визначається як грамова молекулярна маса розчиненої речовини. Наприклад, молекулярна маса хлориду натрію становить 58,44. Таким чином, один моль хлориду натрію важить 58,44 грама. Молярність розчину - це кількість молів розчиненої речовини на літр розчину. Молярність розчину - це кількість молів розчиненої речовини на кілограм розчинника. Якщо розчинником є вода, один кілограм води дорівнює одному літру води. У той час як молярність і молярність використовуються для вираження концентрації розчинів, концентрації електролітів зазвичай виражаються в перерахунку на міліеквіваленти на літр (мэкв/л): мЕкв/л дорівнює концентрації іонів (в мілімолі), помноженої на кількість електричних зарядів на іоні. Одиниця міліеквівалента враховує іони, присутні в розчині (так як електроліти утворюють іони у водних розчині) і заряд на іоні.

Таким чином, для іонів, які мають заряд одиниці, один міліеквівалент дорівнює одному мілімолю. Для іонів, які мають заряд два (як кальцій), один міліеквівалент дорівнює 0,5 мілімоль. Ще однією одиницею для експресії концентрації електроліту є міліосмол (MoSm), який представляє собою кількість міліеквівалентів розчиненої речовини на кілограм розчинника. Рідини організму зазвичай підтримуються в діапазоні від 280 до 300 мОм.

Осморегулятори та осмоконформери

Особи, втрачені в морі без будь-якої прісної води для пиття, піддаються ризику серйозного зневоднення, оскільки людський організм не може адаптуватися до питної морської води, яка є гіпертонічною порівняно з рідинами організму. Такі організми, як золоті рибки, які можуть переносити лише відносно вузький діапазон солоності, називаються стенохаліном. Близько 90 відсотків усіх кістлявих риб обмежені прісноводною або морською водою. Вони нездатні до осмотичної регуляції в протилежному середовищі. Це можливо, однак, для декількох риб, як лосось, щоб провести частину свого життя в прісній воді і частина в морській воді. Організми, такі як лосось і моллі, які можуть переносити відносно широкий діапазон солоності, називаються евригаліновими організмами. Це можливо тому, що деякі риби розвинули осморегуляторні механізми, щоб вижити у всіх видах водних середовищ. Коли вони живуть у прісній воді, їх тіла, як правило, забирають воду, оскільки навколишнє середовище відносно гіпотонічне, як показано\(\PageIndex{2}\) на малюнку а. в таких гіпотонічних середовищах ці риби не п'ють багато води. Замість цього вони пропускають багато дуже розрідженої сечі, і досягають електролітного балансу шляхом активного транспортування солей через зябра. Коли вони переходять до гіпертонічного морського середовища, ці риби починають пити морську воду; вони виділяють надлишки солей через свої зябра та сечу, як показано на малюнку\(\PageIndex{2}\) b Більшість морських безхребетних, з іншого боку, можуть бути ізотонічними з морською водою (осмоконформери). Їх концентрація рідини в організмі відповідає змінам концентрації морської води. Сольовий склад крові хрящових риб подібний до кісткових риб, однак кров акул містить органічні сполуки сечовини та триметиламіну оксиду (ТМАО). Це не означає, що їх електролітний склад схожий з морською водою. Вони досягають ізотонічності з морем, зберігаючи великі концентрації сечовини. Цих тварин, які виділяють сечовину, називають уреотелічними тваринами. ТМАО стабілізує білки в присутності високих рівнів сечовини, запобігаючи порушенню пептидних зв'язків, які виникли б у інших тварин, що піддаються подібному рівню сечовини. Акули - це хрящові риби з ректальною залозою для виділення солі і допомоги в осморегуляції.

Ілюстрація А показує рибу в прісноводному середовищі, де вода всмоктується через шкіру. Для компенсації риба п'є мало води і виділяє розведену сечу. Іони натрію, калію і хлору втрачаються через шкіру, і риба активно транспортує ці самі іони в свої зябра, щоб компенсувати цю втрату. Ілюстрація B показує рибу в морському середовищі, де вода втрачається через шкіру. Щоб компенсувати, риба п'є достатню кількість води і виділяє концентровану сечу. Він поглинає іони натрію, калію та хлору через шкіру та виводить їх через зябра. — Малюнок\(\PageIndex{2}\): Риби є осморегуляторами, але повинні використовувати різні механізми для виживання в (а) прісноводних або (б) морських середовищах. (кредит: модифікація роботи Дуейн Рейвер, NOAA)

Кар'єра Підключення: Технік діалізу

Діаліз - це медичний процес видалення відходів і зайвої води з крові шляхом дифузії та ультрафільтрації. Коли функція нирок не вдається, необхідно зробити діаліз, щоб штучно позбавити організм від відходів. Це життєво важливий процес, щоб зберегти пацієнтів живими. У деяких випадках пацієнти проходять штучний діаліз, поки вони не мають права на трансплантацію нирки. У інших, хто не є кандидатами на трансплантацію нирок, діаліз є довічною необхідністю.

Фахівці з діалізу зазвичай працюють у лікарнях та клініках. Хоча деякі ролі в цій галузі включають розробку та технічне обслуговування обладнання, більшість фахівців з діалізу працюють у безпосередньому догляді за пацієнтами. Їх обов'язки на робочому місці, які зазвичай відбуваються під безпосереднім наглядом зареєстрованої медсестри, зосереджені на наданні діалізного лікування. Це може включати перегляд анамнезу пацієнта та поточного стану, оцінку та реагування на потреби пацієнта до та під час лікування, а також моніторинг процесу діалізу. Лікування може включати прийом та повідомлення про життєві показники пацієнта та приготування розчинів та обладнання для забезпечення точних та стерильних процедур.

Резюме

Концентрації розчинених речовин у напівпроникних мембранах впливають на рух води та розчинених речовин по мембрані. Саме кількість розчинених молекул, а не розмір молекул, що має важливе значення в осмосі. Осморегуляція і осмотичний баланс є важливими функціями організму, що призводить до водно-сольового балансу. Не всі розчинені речовини можуть проходити через напівпроникну мембрану. Осмос - це рух води по мембрані. Осмос відбувається для вирівнювання кількості розчинених молекул через напівпроникну мембрану шляхом руху води в сторону більш високої концентрації розчинених речовин. Полегшена дифузія використовує білкові канали для переміщення розчинених молекул з областей більш високої концентрації в той час як активні транспортні механізми необхідні для переміщення розчинених речовин проти градієнтів концентрації. Осмолярність вимірюється в одиницях міліеквівалентів або міліосмолів, обидва з яких враховують кількість розчинених частинок і заряд на них. Риби, які живуть у прісній або морській воді, адаптуються, будучи осморегуляторами або осмоконформерами.

Глосарій

електроліту: розчинену речовину, яка розщеплюється на іони при розчиненні у воді

моляльність: кількість молів розчиненої речовини на кілограм розчинника

молярність: кількість молів розчиненої речовини на літр розчину

рити: грамовий еквівалент молекулярної маси речовини

неелектролітний: розчинену речовину, яка не розпадається на іони при розчиненні у воді

осмоконформер: організм, який змінює свою тонус залежно від навколишнього середовища

осморегуляції: механізм, за допомогою якого концентрації води та розчинених речовин підтримуються на бажаних рівнях

осморегулятор: організм, який підтримує свою тонус незалежно від навколишнього середовища

осмотичний баланс: баланс кількості води і солі, що надходить і виводиться в біологічну систему і з неї без порушення необхідного осмотичного тиску і концентрації розчиненої речовини в кожному відсіку

осмотичний тиск: тиск, що чиниться на мембрану для вирівнювання концентрації розчиненої речовини з обох сторін

напівпроникна мембрана: мембрана, яка дозволяє пропускати лише певні розчинені речовини