Что такое осмос? Осмотическое давление? Какую роль играет величина осмотического давления клеточного сока в регулировке тока воды в клетку и из клетки? Какие растворы называются изотоническими, гипертоническими, гипотетическими?
Для приведенных ниже растворов рассчитайте величину осмотического давления и среднюю молекулярную массу растворенных веществ для биологических объектов. Растворитель во всех случаях – вода, ее криоскопическая постоянная 1,86 град г/моль. Почему расчетное значение осмотического давления в растворах белков ниже измеряемого?
№ задачи
Концентрация раствора
t°C замерзания
Растворенное вещество
53 6,84% 0,65 дисахарид
Решение:
Осмос – процесс односторонней диффузии через полупроницаемую мембрану молекул растворителя в сторону большей концентрации растворённого вещества из объёма с меньшей концентрацией растворенного вещества.
Вследствие различия концентраций растворителя по обе стороны перегородки растворитель самопроизвольно (в соответствии с принципом Ле-Шателье) проникает через полупроницаемую перегородку в раствор, разбавляя его. Движущей силой преимущественной диффузии растворителя в раствор является разность свободных энергий чистого растворителя и растворителя в растворе. При разбавлении раствора за счет самопроизвольной диффузии растворителя объем раствора увеличивается. Односторонняя диффузия определенного сорта частиц в растворе через полупроницаемую перегородку называется осмосом.
Количественно охарактеризовать осмотические свойства раствора (по отношению к чистому растворителю) можно, введя понятие об осмотическом давлении. Последнее представляет собой меру стремления растворителя к переходу сквозь полупроницаемую перегородку в данный раствор. Оно равно тому дополнительному давлению, которое необходимо приложить к раствору, чтобы осмос прекратился (действие давления сводится к увеличению выхода молекул растворителя из раствора).
Растворы, характеризующиеся одинаковым осмотическим давлением, называются изотоническими. В биологии растворы с осмотическим давлением, большим, чем у внутриклеточного содержимого, называются гипертоническими, с меньшим – гипотоническими. Один и тот же раствор для одного типа клеток гипертонический, для другого – изотонический, для третьего – гипотонический.
Свойствами полупроницаемости обладает большинство тканей организмов. Поэтому осмотические явления имеют громадное значение для жизнедеятельности животных и растительных организмов. Поступление воды в клетки идет путем осмоса, набухания биоколлоидов и увеличения степени их гидратации, а также активным путем.
Осмотический потенциал – равен тому давлению, которое необходимо приложить к раствору, что бы предотвратить поступление в него воды.. Если вода диффундирует в раствор, отделенный от нее полупроницаемой мембраной, возникает давление (осмотическое), равное по величине, но противоположное по знаку исходному осмотическому давлению. Осмотическое давление определяется по формуле Вант-Гоффа:
Росм= сRТ,
где Росм – осмотическое давление, кПа; с – молярная концентрация, моль/дм3; R – газовая постоянная, равная 8,314 Дж/моль∙К; Т – температура, К.
Силу, с которой вода входит в клетку называют сосущей силой (S). Она тождественна водному потенциалу клетки:
S = Росм – Р, где Р – тургорное давление клетки, оно равно противодавлению клеточной стенки при ее растяжении.
Когда клетка насыщена водой S = 0, так как Росм = Р. Вода не поступает в клетку. Устанавливается динамическое равновесие, ее водный потенциал равен 0. При водном дефиците водный потенциал клеточных стенок становится меньше чем в вакуолях и вода начинает перемещаться в клеточные стенки. Отток воды снижает тургорное давление клетки, следовательно, увеличивается сосущая сила. При длительном дефиците воды клетки теряют тургор, то есть Р = о, следовательно, S = Росм.
Молекул воды малы и проходят через клеточные мембраны намного быстрее чем молекулы других веществ. Для транспорта воды служат интегральные мембранные белки аквапорины, формирующие в мембране избирательные для воды каналы.
Для раствора дисахарида рассчитайте величину осмотического давления и среднюю молекулярную массу растворенного вещества для биологических объектов. Растворитель – вода, ее криоскопическая постоянная 1,86 град г/моль. Почему расчетное значение осмотического давления в растворах белков ниже измеряемого?
№ задачи
Концентрация раствора
t°C замерзания
Растворенное вещество
53 6,84% 0,65 дисахарид
Решение:
Температура замерзания раствора вычисляется по формуле
Найдём среднюю молекулярную массу дисахарида
Вычислим осмотическое давление
Ответ:
Почему расчетное значение осмотического давления в растворах белков ниже измеряемого?
Ответ:
С повышением концентрации белков их осмотическое давление перестает подчиняться закону Вант-Гоффа (Pосм = cRT) и растет быстрее, причем экспериментально полученная кривая лежит выше теоретической прямой.
Причиной отклонения от законов Вант-Гоффа является гибкость цепей белков, которые ведут себя, как несколько коротких молекул. Для расчета осмотического давления растворов белков предложено уравнение Галлера:
Pосм = RT/M·c + b·c2,
где c – концентрация раствора, г/л; М – молярная масса, г/моль; b – коэффициент, учитывающий гибкость и форму молекулы в растворе.