5.5: Осмос

Last updated
Save as PDF

Page ID: 25629

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

Напівпроникні мембрани оточують живі клітини і органели в клітині. Напівпроникні мембрани пропускають воду і малі молекули, але не пропускають великі молекули та іони.

Осмос - це проходження води і дрібних молекул через напівпроникну мембрану з чистим потоком від менш концентрованого розчину в більш концентрований розчин.

Осмос допомагає у поглинанні, затримці та потоці води, поживних речовин та інших молекул, необхідних у біологічних системах. Рис. 5.5.1 ілюструє процес осмосу.

Осмос ілюстрований — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Ілюстрація осмосу. Осмос - це проходження води і малих молекул через напівпроникну мембрану з чистим потоком від низької концентрації розчинених речовин до високої концентрації розчинених речовин. Більші молекули та іони не можуть пройти напівпроникну мембрану.

Осмотичний тиск

Осмос викликає чистий потік води від менш концентрованого до більш концентрованого розчину через напівпроникну мембрану. Отже, рівень води підвищується в менш концентрованому відсіку розчину, як показано на рис. 5.5.2. Різниця в висоті води збільшується і подає тиск, перекачуючи воду назад в більш концентровану сторону до тих пір, поки потік води не буде рівним з двох сторін.

Тиск, що перешкоджає додатковому надходженню води в більш концентровану сторону розчину напівпроникної мембрани, називається осмотичним тиском.

Осмотичний тиск пропорційно загальній концентрації розчинених частинок. Наприклад, 0,1 молярний NaCl має осмотичний тиск приблизно вдвічі більше 0,1 молярної глюкози, оскільки кожен моль глюкози додає один моль розчинених частинок, тоді як кожен моль NaCl виробляє в розчині два молі частинок, тобто одномоль Na ⁺ і одномольний Cl ^- іони.

Зворотний осмос

Зворотний осмос - це чистий потік води до менш концентрованої або чистої води через напівпроникну мембрану шляхом застосування зовнішнього тиску більше, ніж осмотичний тиск на більш концентрованій стороні розчину.

Зворотний осмос - це чистий потік води до менш концентрованої або чистої води через напівпроникну мембрану шляхом застосування зовнішнього тиску більше, ніж осмотичний тиск. Відзначимо, що потік розчинника в зворотному осмосі, керований зовнішнім тиском, протилежний звичайному осмосу. Зворотний осмос використовується для отримання питної води з джерел морської води, як показано на рис.5.5.3.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Ілюстрація зворотного осмосу —використовується для отримання питної води з джерела морської води. Джерело: Колбі Фішер/CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Ізотонічні, гіпертонічні та гіпотонічні розчини

Клітинні мембрани - це напівпроникні мембрани, які розділяють внутрішньоклітинну і позаклітинну рідини. Різниця концентрацій через мембрану та результуючий осмотичний тиск відіграє важливу роль у функціях клітин. Внутрішньовенні розчини, що вводяться пацієнтам, повинні мати такий же осмотичний тиск, як і рідини організму.

Розчини з однаковою концентрацією розчинених частинок і осмотичним тиском називаються ізотонічними. Якщо два розчини через напівпроникну мембрану не мають однакової концентрації розчинених частинок, розчин з більш високою концентрацією розчинених частинок і більш високим осмотичним тиском є гіпертонічним, а інший має меншу концентрацію розчинених частинок і нижчий осмотичний тиск є гіпотонічний.

Пам'ятайте, що гіпер- означає більше, а гіпо-значить менше, що стосується концентрації розчинених частинок в разі осмосу.

Гемоліз і генерація еритроцитів — Малюнок\(\PageIndex{4}\): Гіпертонічний розчин має концентрацію розчиненої речовини вище, ніж інший розчин. Ізотонічний розчин має концентрацію розчиненої речовини, рівну іншому розчину. Гіпотонічний розчин має концентрацію розчиненої речовини нижче, ніж інший розчин. Джерело: OpenStax/CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0)

Клітини, поміщені у зовнішній розчин, можуть зберігати свій розмір, стискатися або набухати в залежності від відносного осмотичного тиску рідини всередині і зовні клітини, як показано на рис. 5.5.4. Наприклад, еритроцити, поміщені в ізотонічний розчин, зберігають свій розмір, оскільки потік води в клітину і з неї однаковий.

Типовими ізотонічними розчинами є 0,9% м/в розчин NaCl у воді або 5% м/в розчин глюкози у воді.
Червоні кров'яні клітини, поміщені в гіпертонічний розчин, зменшуються в розмірах через більший потік води, ніж в клітину - процес, який називається crenation.
Червоні кров'яні клітини, поміщені в гіпотонічний розчин, набухають і лопаються через більший потік води, ніж з клітин - процес, який називається гемолізом.

Аналогічна ситуація трапляється і в рослинних клітинок, які розміщені в різних середовищах щодо осмотичного тиску, як показано на рис. 5.5.5.

Вплив гіпертонічного, гіпотонічного та ізотонічного розчину на клітини рослин. — Малюнок\(\PageIndex{5}\): Рослинні клітини в різних середовищах, що стосуються осмотичного тиску. джерело: LadyOfHats/Громадське надбання

Діаліз

Діаліз відокремлює колоїди від води, розчинених іонів та молекул невеликого розміру

Діаліз схожий на осмос з тією різницею, що в діалізній воді дрібні молекули і іони можуть проходити через діалізуючу мембрану, залишаючи після себе стикаються частинки, такі як білки і молекули крохмалю, як показано на рис. 5.5.6.

Ілюстрація діалізу — Малюнок\(\PageIndex{6}\): Діаліз відокремлює колоїдні частинки, такі як білок і крохмаль, від води, малих молекул та іонів. Джерело: Потчербой в англійській Вікіпедії/CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0)

Роль діалізу в організмі людини

Нирки фільтрують кров за допомогою процесу діалізу. У нирці, оточеній діалізуючими мембранами, налічується понад мільйон трубчастих структур, званих нефронами. Нефрони фільтрують воду, дрібні молекули, такі як глюкоза, амінокислоти, сечовина та іони з крові. Корисні продукти і більша частина води реабсорбуються пізніше, але сечовина та інші відходи виділяються через сечу, як показано на рис. 5.5.7.

Нирка та її функція в очищенні крові проілюстровані — Малюнок\(\PageIndex{7}\): Схеми діалізу для очищення крові через нирки і нефрон. 1: Кора нирок. 2: Мозул. 3: Ниркова артерія. 4: Ниркова вена. 5: Сечовід. 6: Нефрони. 7: Аферентна артеріола. 8: клубочок. 9: капсула Боумана. 10: Тубулі і петля Генле. 11: Еферентна артеріола. 12: Перітубулярна капіляри. Джерело: Файл: Фізіологія_of_Nephron.SVG: Madhero88 Файл: Структури нирок PIOM.SVG: Пьотр Міхал Яворський; PIOM EN DE PLПохідна робота: Даніель Сакс (Antares42) /CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

гемодіаліз

Гемодіаліз використовується для вилучення сечовини та інших продуктів життєдіяльності з крові, коли нирка людини не може їх видалити, як показано на рис. 5.5.8. _{Система гемодіалізу - це різновид штучної нирки, в якій кров тече через довгі целофанові трубки, поміщені в ізотонічний розчин, що містить NaCl, KCl, NaHCO ₃ та глюкозу.} Целофан - діалізуюча мембрана, яка не пропускає через неї білки, інші великі молекули, кров, але сечовина виділяється.