Что произойдет с клеткой если ее поместить в гипертонический раствор
Что произойдет с клеткой если ее поместить в гипертонический раствор
Высокое осмотическое давление по обе стороны клеточной мембраны может возникать при относительно небольших изменениях концентрации растворенных веществ во внеклеточной жидкости. На каждый миллиосмоль разности концентраций непроникающих веществ (для которых мембрана непроницаема) приходится, как изложено ранее, осмотическое давление 19,3 мм рт. ст.
Если клеточная мембрана покрыта водой и осмолярность внутри клетки составляет 282 мосм/л, то предполагаемое значение осмотического давления может быть более 5400 мм рт. ст. Данный пример иллюстрирует степень величины сил, способных перемещать воду через мембрану, если между внутри- и внеклеточной жидкостями не установлено осмотическое равновесие.
В результате действия этих сил относительно небольшие изменения концентрации веществ, не проникающих в клетку, способны существенно менять объем клеток.
Влияние изотонического (А), гипертонического (Б), гипотонического (В) растворов на объем клеток
а) Изо-, гипо- и гипертонические растворы. Влияние растворов, содержащих различную концентрацию непроникающих веществ, на объем клетки показано на рисунке выше. Если поместить клетку в такую жидкость с осмолярностью 282 мосм/л, клетка не будет ни сморщиваться, ни набухать, поскольку содержание воды по обе стороны клеточной мембраны одинаково, а растворенные вещества не способны входить или выходить из клетки.
Раствор, в котором не происходит изменение объема клетки, называют изотоническим. Это, например, крайне важный для клиники 0,9% раствор NaCl. Вводить его в кровь можно без опасения нарушить равновесие между внутри- и внеклеточной жидкостями.
Если клетку поместить в раствор непроникающих веществ с концентрацией ниже 282 мосм/л, т.е. в гипотонический раствор, вода с помощью диффузии будет входить в клетку и вызывать ее набухание. Движение воды будет происходить до тех пор, пока осмолярность по обе стороны мембраны не станет одинаковой. Растворы NaCl, концентрация которых ниже 0,9%, относят к гипотоническим, они вызывают набухание клеток.
Помещение клетки в раствор с высокой концентрацией непроникающего вещества, т.е. в гипертонический раствору приведет к движению воды из клетки наружу, таким образом концентрируя внутриклеточную и разбавляя внеклеточную жидкости. В данном случае клетка будет сморщиваться до тех пор, пока концентрации не выровняются. Растворы NaCl с концентрацией выше 0,9% являются гипертоническими.
б) Изо-, гипер- и гипоосмолярные растворы. Термины «изотонический»у «гипотонический»у «гипертонический» показывают, что будет происходить с клетками при погружении в эти растворы. Тоничность растворов зависит от концентрации веществ, для которых мембрана непроницаема. Некоторые растворенные вещества, однако, способны проникать через мембрану. Вне зависимости от того, способно ли вещество проникать через клеточную мембрану, растворы с такой же осмолярностью, как и цитоплазма клетки, называют изоосмолярными.
Термины «гиперосмолярный» и «гипоосмолярный» относят к растворам, осмолярность которых без оценки проницаемости наружной мембраны клетки соответственно выше или ниже осмолярности обычной внеклеточной жидкости. К временному изменению равновесия между внутри- и внеклеточной жидкостями способны вещества с высокой проницаемостью, например мочевина. Однако с течением времени равновесие восстанавливается, практически не влияя на гомеостаз.
в) Быстрое достижение равновесия между внутри- и внеклеточной жидкостями. Перенос жидкости через мембрану происходит настолько быстро, что различия в осмолярности между этими двумя средами исчезают в течение нескольких секунд или, самое большее, нескольких минут. Быстрое перемещение воды через мембрану не означает скорого наступления полного равновесия между внутри- и внеклеточной жидкостями в организме.
Это можно объяснить тем, что обычным путем поступления жидкости в организм является всасывание в полости желудочно-кишечного тракта, где она должна быть перенесена кровью ко всем тканям перед установлением осмотического равновесия, которое наступает лишь примерно через 30 мин после приема жидкости.
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
Что происходит с клеткой в гипертоническом растворе
Понимание градиентов клеточного давления
У животных клетки всегда стремятся поддерживать равновесие между своей внутренней (внутриклеточной) средой и окружающей (внеклеточной) средой. Барьер между клетка и внешний мир полупроницаемая мембрана называется клеточная мембрана, Помимо воды, внеклеточная среда для клеток человеческого организма включает плазму, белки, жиры, глюкозу, продукты жизнедеятельности, ионы и другие вещества. Эти растворенные вещества называются растворенными веществами. Подобные растворы также присутствуют внутри клеток.
осмос это спонтанный гомеостатический процесс, когда вода движется из области низких растворенное вещество концентрация до высокой концентрации растворенного вещества через полупроницаемую мембрану. Это естественный процесс, отражающий предпочтение систем для достижения и поддержания равновесия. Количество воды вне клетки по сравнению с внутренней создает осмотическое давление градиент, который заставляет воду двигаться. Другими словами, если снаружи клетки больше растворенных веществ, чем внутри, вода выйдет из клетки, чтобы выровнять уровень растворенного вещества внутри. И наоборот, большее количество растворенных веществ внутри клетки по сравнению с внешней средой вызывает попадание воды в клетку. Процесс, с помощью которого организмы поддерживают водный баланс, называется осморегуляцией.
Гипертонические решения
Для обсуждения того, что происходит с клеткой в гипертонический раствор ‘решение ’Относится к внеклеточной среде. Hyper – латинский префикс, означающий более или выше. Следовательно, гипертонический раствор содержит больше растворенных веществ, чем внутриклеточная среда, поэтому вода покидает клетку, пытаясь достичь равновесия. Если потеряно достаточное количество воды, клетка приобретет морщинистый или сморщенный вид. В красном кровь Клетки это называется приобретение зазубренных очертаний и поверхность клеток приобретает зубчатый вид. Большая потеря воды может быть вредной или даже смертельной для клетки.
Как некоторые организмы преодолевают гипертонические растворы
Морские организмы часто живут в гипертонических средах по сравнению с химией их внутреннего тела. вид могут жить в таких условиях, потому что они разработали адаптивные механизмы. Например, рыбы используют большую площадь поверхности жабр для газообмена с соленой водой. Однако из-за осмоса клетки в жабрах постоянно теряют воду в море. Рыба преодолевает это, выпивая большое количество соленой воды и выделяя излишки соли. Этот процесс позволяет им поддерживать жидкость гомеостаз живя в гипертонической среде.
Изотонические и гипотонические решения
изотонический раствор имеет концентрацию растворенного вещества, равную концентрации внутри клетки. Это состояние равновесия, и вода не проникает внутрь или наружу через полупроницаемую мембрану. В отличие от гипотоническое решение имеет меньше растворенного вещества, чем внутри клетки, как положить клетку в дистиллированную воду. В этой ситуации вода попадает в клетку, и если ее не контролировать, она может взорваться (лизируют и умереть
ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА СОСТОЯНИЕ ЭРИТРОЦИТОВ
Красные кровяные тельца (эритроциты) — самые многочисленные из форменных элементов. Зрелые эритроциты не содержат ядра и имеют форму двояковогнутых дисков. Циркулируют 120 дней и разрушаются в печени и селезенке. В эритроцитах содержится содержащий железо белок — гемоглобин, который обеспечивает главную функцию эритроцитов — транспорт газов, в первую очередь — кислорода. Именно гемоглобин придаёт крови красную окраску. В лёгких гемоглобин связывает кислород, превращаясь в оксигемоглобин, он имеет светло-красный цвет. В тканях кислород освобождается из связи, снова образуется гемоглобин, и кровь темнеет. Кроме кислорода, гемоглобин в форме карбогемоглобина переносит из тканей в лёгкие и небольшое количество углекислого газа[6].
У млекопитающих животных эритроциты безъядерные, а в связи с выталкиванием ядра на определенной стадии своего развития приобретают форму двояковогнутого диска, благодаря чему в 1,64 раза увеличивается их поверхность по сравнению с поверхностью шара, что создает благоприятные условия для диффузии газов через их оболочку. Поверхность эритроцитов большая и составляет 27—32 м 2 /кг массы животного [4].
Осмотическое давление – это сила, обеспечивающая переход растворителя через полупроницаемую мембрану из менее концентрированных растворов в более концентрированные. Осмотическое давление крови создается солями, глюкозой и – составляет 7—8 атм., что соответствует осмотическому давлению 0,85—0,9% раствора NaCI. Растворы, имеющие одинаковое осмотическое давление, называют изотоническими, с меньшим осмотическим давлением — гипотоническими, а с большим—гипертоническими.
Величина осмотического давления оказывает существенное влияние на структуру и функцию клеток крови. Так, если поместить кровь в раствор небольшой степени гипотонии, то эритроциты будут только набухать и увеличиваться в размере, а в растворах с более низким осмотическим давлением она разрушается с выходом гемоглобина в плазму крови, которая приобретает прозрачный красный цвет (лаковая кровь). Это явление называется осмотическимгемолизом эритроцитов. В клинике с диагностической целью определяют максимальную и минимальную величину осмотической резистентности эритроцитов, т.е. их устойчивость к разной степени гипотонии. Гемолиз части эритроцитов может начинаться уже в 0,5-0,4–процентном растворе натрий хлорида (NaCI), а при более низкой степени гипотонии разрушаются все эритроциты.
Различают три варианта тоничности: один раствор по отношению к другому может быть изотоническим, гипертоническим и гипотоничнеским.
Изотония — равенство осмотического давления в жидких средах и тканях организма, которое обеспечивается поддержанием осмотически эквивалентных концентраций содержащихся в них веществ. Изотония — одна из важнейших физиологических констант организма, обеспечиваемых механизмами саморегуляции. Изотонический раствор — раствор, имеющий концентрацию вещества, равную внутриклеточной. Клетка, погружённая в изотонический раствор, находится в равновесном состоянии — молекулы воды диффундируют через клеточную мембрану в равном количестве внутрь и наружу, не накапливаясь и не теряясь клеткой. Отклонение осмотического давления от нормального физиологического уровня влечёт за собой нарушение обменных процессов между кровью, тканевой жидкостью и клетками организма. Сильное отклонение может нарушить структуру и целостность клеточных мембран.
Гипертонический раствор — раствор, имеющий бо́льшую концентрацию вещества по отношению к внутриклеточной. При погружении клетки в гипертонический раствор, происходит её дегидратация — внутриклеточная вода выходит наружу, что приводит к высыханию и сморщиванию клетки.
Гипотонический раствор — раствор, имеющий меньшее осмотическое давление по отношению к другому, то есть обладающий меньшей концентрацией вещества, не проникающего через мембрану. При погружении клетки в гипотонический раствор, происходит осмотическое проникновение воды внутрь клетки с развитием её гипергидратации — набухания с последующим цитолизом. Известно, что любые воздействия на организм находят свое отражение в изменениях системы крови, которая включает в себя как кроветворные органы, так и периферическую кровь. Реакция на воздействие различных агентов может колебаться в различных пределах от резко выраженного токсического до стимулирующего эффекта, а исследуемые характеристики могут как существенно отклоняться от нормы, так и не выходить за ее пределы [1].
Антигемолитическим действиям обладают 2-гидроксиламониевые соли арил-, тио- и арилсульфонилуксусной кислот. Л.Гринбер и А.М. Аллахвердиев обнаружили повышение резистентности эритроцитов после добавления формиата Na и обработки промахином.
Лекарственные препараты также были исследованы на гемолитическое действие. Н.М.Митрохин с сотрудниками исследовали вещества, применяемые в медицинской практики. Они установили, что более 70% исследованных препаратов вызывают деформацию эритроцитов. Катионы вызывают преимущественно стоматолиз клеток. Таким механизмом действия обладают димедрол, аминазин, промедола гидрохлорид и некоторые другие препараты. Анионы вызывают эхиноцитоз эритроцитов. Такое влияние характерно для всех барбитуратов, карцеина, мединала [3].
Длительное воздействие нафталина может вызвать повреждение или разрушение красных кровяных телец [1].
Что произойдет с клеткой если ее поместить в гипертонический раствор
фЕНБ: пУНПФЙЮЕУЛЙЕ СЧМЕОЙС Ч ЛМЕФЛЕ
нБФЕТЙБМЩ. уПЮОБС ЮЕЫХС МХЛПЧЙГЩ МХЛБ, ЧПДБ, 6-8% ТБУФЧПТ УПМЙ.
пУНПФЙЮЕУЛЙНЙ ОБЪЩЧБАФ СЧМЕОЙС, РТПЙУИПДСЭЙЕ Ч УЙУФЕНЕ, УПУФПСЭЕК ЙЪ ДЧХИ ТБУФЧПТПЧ, ТБЪДЕМЕООЩИ РПМХРТПОЙГБЕНПК НЕНВТБОПК. ч ТБУФЙФЕМШОПК ЛМЕФЛЕ ТПМШ РПМХРТПОЙГБЕНЩИ РМЕОПЛ ЧЩРПМОСАФ РПЗТБОЙЮОЩЕ УМПЙ ГЙФПРМБЪНЩ: РМБЪНБМЕННБ Й ФПОПРМБУФ.
лПОГЕОФТБГЙС ЧЕЭЕУФЧ Ч ЛМЕФПЮОПН УПЛЕ Й ЧП ЧОЕЫОЕК УТЕДЕ (Ч РПЮЧЕ, ЧПДПЕНБИ) ПВЩЮОП ОЕ ПДЙОБЛПЧЩ. еУМЙ ЧОХФТЙЛМЕФПЮОБС ЛПОГЕОФТБГЙС ЧЕЭЕУФЧ ЧЩЫЕ, ЮЕН ЧП ЧОЕЫОЕК УТЕДЕ, ЧПДБ ЙЪ УТЕДЩ ВХДЕФ РПУФХРБФШ Ч ЛМЕФЛХ, ФПЮОЕЕ Ч ЧБЛХПМШ, У ВПМШЫЕК УЛПТПУФША, ЮЕН Ч ПВТБФОПН ОБРТБЧМЕОЙЙ. рТЙ ХЧЕМЙЮЕОЙЙ ПВЯЕНБ ЛМЕФПЮОПЗП УПЛБ, ЧУМЕДУФЧЙЕ РПУФХРМЕОЙС Ч ЛМЕФЛХ ЧПДЩ, ХЧЕМЙЮЙЧБЕФУС ЕЗП ДБЧМЕОЙЕ ОБ ГЙФПРМБЪНХ, РМПФОП РТЙМЕЗБАЭХА Л ПВПМПЮЛЕ. рТЙ РПМОПН ОБУЩЭЕОЙЙ ЛМЕФЛЙ ЧПДПК ПОБ ЙНЕЕФ НБЛУЙНБМШОЩК ПВЯЕН. уПУФПСОЙЕ ЧОХФТЕООЕЗП ОБРТСЦЕОЙС ЛМЕФЛЙ, ПВХУМПЧМЕООПЕ ЧЩУПЛЙН УПДЕТЦБОЙЕН ЧПДЩ Й ТБЪЧЙЧБАЭЙНУС ДБЧМЕОЙЕН УПДЕТЦЙНПЗП ЛМЕФЛЙ ОБ ЕЕ ПВПМПЮЛХ ОПУЙФ ОБЪЧБОЙЕ ФХТЗПТБ (ТЙУ. 4, б). фХТЗПТ ПВЕУРЕЮЙЧБЕФ УПИТБОЕОЙЕ ПТЗБОБНЙ ЖПТНЩ (ОБРТЙНЕТ, МЙУФШСНЙ, ОЕПДТЕЧЕУОЕЧЫЙНЙ УФЕВМСНЙ) Й РПМПЦЕОЙС Ч РТПУФТБОУФЧЕ, Б ФБЛЦЕ УПРТПФЙЧМЕОЙЕ ЙИ ДЕКУФЧЙА НЕИБОЙЮЕУЛЙИ ЖБЛФПТПЧ. у РПФЕТЕК ЧПДЩ УЧСЪБОП ХНЕОШЫЕОЙЕ ФХТЗПТБ Й ХЧСДБОЙЕ.
ч ИПДЕ РМБЪНПМЙЪБ ЖПТНБ РМБЪНПМЙЪЙТПЧБООПЗП РТПФПРМБУФБ НЕОСЕФУС. чОБЮБМЕ РТПФПРМБУФ ПФУФБЕФ ПФ ЛМЕФПЮОПК УФЕОЛЙ МЙЫШ Ч ПФДЕМШОЩИ НЕУФБИ, ЮБЭЕ ЧУЕЗП Ч ХЗПМЛБИ. рМБЪНПМЙЪ ФБЛПК ЖПТНЩ ОБЪЩЧБАФ ХЗПМЛПЧЩН (ТЙУ. 4, в ).
ъБФЕН РТПФПРМБУФ РТПДПМЦБЕФ ПФУФБЧБФШ ПФ ЛМЕФПЮОЩИ УФЕОПЛ, УПИТБОСС УЧСЪШ У ОЙНЙ Ч ПФДЕМШОЩИ НЕУФБИ, РПЧЕТИОПУФШ РТПФПРМБУФБ НЕЦДХ ЬФЙНЙ ФПЮЛБНЙ ЙНЕЕФ ЧПЗОХФХА ЖПТНХ. оБ ЬФПН ЬФБРЕ РМБЪНПМЙЪ ОБЪЩЧБАФ ЧПЗОХФЩН (ТЙУ. 4, ч).
рПУФЕРЕООП РТПФПРМБУФ ПФТЩЧБЕФУС ПФ ЛМЕФПЮОЩИ УФЕОПЛ РП ЧУЕК РПЧЕТИОПУФЙ Й РТЙОЙНБЕФ ПЛТХЗМХА ЖПТНХ. фБЛПК РМБЪНПМЙЪ ОПУЙФ ОБЪЧБОЙЕ ЧЩРХЛМПЗП (ТЙУ. 4, з).
еУМЙ Х РТПФПРМБУФБ УЧСЪШ У ЛМЕФПЮОПК УФЕОЛПК Ч ПФДЕМШОЩИ НЕУФБИ УПИТБОСЕФУС, ФП РТЙ ДБМШОЕКЫЕН ХНЕОШЫЕОЙЙ ПВЯЕНБ Ч ИПДЕ РМБЪНПМЙЪБ РТПФПРМБУФ РТЙПВТЕФБЕФ ОЕРТБЧЙМШОХА ЖПТНХ. рТПФПРМБУФ ПУФБЕФУС УЧСЪБООЩН У ПВПМПЮЛПК НОПЗПЮЙУМЕООЩНЙ ОЙФСНЙ зЕИФБ. фБЛПК РМБЪНПМЙЪ ОПУЙФ ОБЪЧБОЙЕ УХДПТПЦОПЗП (ТЙУ. 4, д).
тЙУ. 4. рМБЪНПМЙЪ ТБУФЙФЕМШОПК ЛМЕФЛЙ:
ъБДБОЙЕ 1. рТЙЗПФПЧЙФШ ЧТЕНЕООЩК НЙЛТПРТЕРБТБФ ЬРЙДЕТНЩ УПЮОПК ЮЕЫХЙ МХЛБ Ч ЛБРМЕ ЧПДЩ (ТЙУ. 3). тБУУНПФТЕФШ ЛМЕФЛЙ МХЛБ, ОБИПДСЭЙЕУС Ч УПУФПСОЙЙ ФХТЗПТБ Й ЪБТЙУПЧБФШ.
ъБДБОЙЕ 2. рТПОБВМАДБФШ СЧМЕОЙЕ РМБЪНПМЙЪБ Ч ЛМЕФЛБИ МХЛБ. пРТЕДЕМЙФШ ЖПТНЩ РМБЪНПМЙЪБ. уДЕМБФШ ТЙУХОЛЙ.
ъБДБОЙЕ 3. рТПОБВМАДБФШ СЧМЕОЙЕ ДЕРМБЪНПМЙЪБ Ч ЛМЕФЛБИ МХЛБ, Ф.Е. ЧЕТОХФШ Ч РЕТЧПОБЮБМШОПЕ УПУФПСОЙЕ РМБЪНПМЙЪЙТПЧБООХА ЛМЕФЛХ.
рПУМЕДПЧБФЕМШОПУФШ ТБВПФЩ. уМЕДХЕФ ЪБНЕОЙФШ ТБУФЧПТ УПМЙ ЧПДПК, ПФФСОХЧ ТБУФЧПТ ЖЙМШФТПЧБМШОПК ВХНБЗПК. пФНЕФЙФШ ЧПЪЧТБЭЕОЙЕ ГЙФПРМБЪНЩ Л ПВПМПЮЛЕ ЛМЕФЛЙ, Ф. Е. Ч ЕЕ ОПТНБМШОПЕ УПУФПСОЙЕ. дЕРМБЪНПМЙЪ РТПЙУИПДЙФ НЕДМЕООЕЕ, ЮЕН РМБЪНПМЙЪ. пВЯСУОЙФШ СЧМЕОЙЕ ДЕРМБЪНПМЙЪБ.
лПОФТПМШОЩЕ ЧПРТПУЩ
1. у ЛБЛЙНЙ УЧПКУФЧБНЙ ГЙФПРМБЪНЩ Й ЧБЛХПМЙ УЧСЪБОЩ ПУНПФЙЮЕУЛЙЕ СЧМЕОЙС ЛМЕФЛЙ?
2. юФП ФБЛПЕ ФХТЗПТ, РМБЪНПМЙЪ, ДЕРМБЪНПМЙЪ?
3. нПЦЕФ МЙ РТПЙУИПДЙФШ РМБЪНПМЙЪ Ч НЕТФЧПК ЛМЕФЛЕ?
4. лБЛ НПЦОП ЧЩЪЧБФШ РМБЪНПМЙЪ Ч ЛМЕФЛБИ ЮЕЫХЙ МХЛБ?
Что произойдет с клеткой если ее поместить в гипертонический раствор
Известно, что одним из продуктов реакции медного купороса и желтой кровяной соли является полупроницаемая мембрана ферроцианида меди (II), которая хорошо пропускает молекулы воды и не пропускает молекулы CuSO4. Такая избирательная проницаемость мембраны способствует протеканию процесса осмоса, характерного, в том числе и для жизнедеятельности растительной клетки [4, c.306]. А сам эксперимент, проведенный в XIX веке Морицем Траубе, продемонстрировал, что в неживой природе неорганических веществ можно найти такие химические соединения, которые при взаимодействии образуют совершенное подобие растительной клеточки, способной вбирать в себя одни вещества из окружающей среды и выделять другие. По теории Траубе, рост полученных им искусственных клеточек происходит вследствие внутреннего гидростатического давления (тургор), которое играет важную роль в жизни растений. Таким образом, клеточки Траубе принято считать моделям живой клетки [9].
Еще в 1750г. русский ученный М.В. Ломоносов получал с помощью желтой кровяной соли удивительные по окраске малорастворимые в воде соединения, которые иногда называют «ферроцианидными солями Ломоносова», или «ферроцианидные кустарники Ломоносова». Эти изумительные растения, похожие на нитевидные водоросли формируются благодаря образованию на поверхности кристалликов желтой кровяной соли полупроницаемой пленки [1, c.126-127].
2. Теоретическая часть
Явление осмоса наблюдается при наличии двух систем с различной концентрацией веществ, где подвижность растворителя больше подвижности растворённых веществ. Важным частным случаем осмоса является осмос через полупроницаемую мембрану, когда они сообщаются с помощью полупроницаемой мембраны. В этом случае по законам термодинамики выравнивание концентраций происходит за счет вещества, для которого мембрана проницаема.
Полупроницаемыми называют мембраны, которые имеют достаточно высокую проницаемость не для всех, а лишь для некоторых веществ, в частности, для растворителя [13, с.228]. (Подвижность растворённых веществ в мембране относительно мала). Как правило, это связано с размерами и подвижностью молекул, например, молекула воды меньше большинства молекул растворённых веществ. Если такая мембрана разделяет раствор и чистый растворитель, то концентрация растворителя в растворе оказывается менее высокой, поскольку там часть его молекул замещена на молекулы растворённого вещества. Вследствие этого переходы частиц растворителя из отдела, содержащего чистый растворитель, в раствор, будут происходить чаще, чем в противоположном направлении. Соответственно, объём раствора будет увеличиваться (а концентрация вещества уменьшаться), тогда как объём чистого растворителя будет, соответственно, уменьшаться (рис.1).
При рассмотрении двух систем с различной концентрацией по сторонам полупроницаемой мембраны выравнивание концентраций в системе 1 и 2 возможно только за счет перемещения воды. В системе 1 концентрация воды выше, поэтому поток воды направлен от системы 1 к системе 2. По достижении равновесия реальный поток будет равен нулю [12, с.188]
Рис. 1 Схема формирования осмотического давления
В случаях, когда мембрана проницаема не только для растворителя, но и для некоторых растворённых веществ, перенос последних из раствора в растворитель позволяет осуществить диализ, применяемый как способ очистки полимеров и коллоидных систем от низкомолекулярных примесей, например электролитов [15, c.38-56].
Осмос играет важную роль во многих биологических процессах. Мембрана, окружающая нормальную клетку крови, проницаема лишь для молекул воды, кислорода, некоторых из растворённых в крови питательных веществ и продуктов клеточной жизнедеятельности; для больших белковых молекул, находящихся в растворённом состоянии внутри клетки, она непроницаема. Поэтому белки, столь важные для биологических процессов, остаются внутри клетки.
Осмос участвует в переносе питательных веществ в стволах высоких деревьев, где капиллярный перенос не способен выполнить эту функцию [3,с. 117].
Клетки растений используют осмос также для увеличения объёма вакуоли, чтобы она распирала стенки клетки (тургорное давление). Клетки растений делают это путём запасания сахарозы. Увеличивая или уменьшая концентрацию сахарозы в цитоплазме, клетки могут регулировать осмос [6, с.66]. За счёт этого повышается упругость растения в целом. С изменениями тургорного давления связаны многие движения растений (например, движения усов гороха и других лазающих растений).
Таким образом, осмос играет важную роль в жизни растительной клетки.
Б) Растительная клетка как осмотическая система
Рис.2 Растительная клетка
Растительную клетку можно рассматривать как осмотическую систему. Клеточная стенка обладает определенной эластичностью и может растягиваться. В вакуоли накапливаются растворимые в воде вещества (сахара, органические кислоты, соли), которые обладают осмотической активностью. Клеточный сок вакуоли является высококонцентрированным раствором. Тонопласт (от греч. tonos – натяжение, напряжение и plastos – оформленный, вылепленный) – мембрана, ограничивающая вакуоль растительной клетки [12, с.138].
Тонопласт и клеточная мембрана выполняют в данной системе функцию полупроницаемой мембраны, поскольку эти структуры избирательно проницаемы, и вода проходит через них значительно легче, чем вещества, растворенные в клеточном соке и цитоплазме [17, c.98].
Чтобы попасть в вакуоль, вода должна пройти через клеточную стенку, плазмалемму, цитоплазму и тонопласт. Клеточная стенка хорошо проницаема для воды [8, c.65]. Плазмалемма и тонопласт обладают избирательной проницаемостью, являются полупроницаемой мембраной, а вакуоль с клеточным соком – концентрированным раствором. Поэтому, если клетку поместить в воду, то вода по законам осмоса начнет поступать внутрь клетки.
Тургорное давление – внутреннее давление, которое развивается в растительной клетке, когда в неё в результате осмоса входит вода, и цитоплазма прижимается к клеточной стенке; это давление препятствует дальнейшему проникновению воды в клетку [6, с.66].
Эластическое растяжение ткани благодаря тургорному давлению ее клеток придает твердость неодревесневшим частям растений. Завядающие побеги становятся дряблыми, так как при потере воды тургорное давление падает. Тургорное давление противодействует притоку воды в клетку. Давление, с которым вода осмотически притекает в клетку, равно, таким образом, разности осмотического давления и тургорного давления.
В связи с этим, если клетка попадает в окружающую среду, где концентрация осмотически активных веществ (электролиты, неэлектролиты, белки) будет меньше по сравнению с концентрацией внутри клетки (или клетка помещена в воду), вода по законам осмоса должна поступать внутрь клетки.
Наблюдения за явлениями плазмолиза и тургора позволяют ученым изучать многие свойства клетки. Явление плазмолиза показывает, что клетка жива и протоплазма сохранила полупроницаемость. По скорости и форме плазмолиза можно судить о вязкости протоплазмы. Также явление плазмолиза позволяет определить величину осмотического давления (плазмолитический метод) [7, с. 135].
Осмотическое давление различно у разных жизненных форм. У древесных пород оно выше, чем у кустарников, а у кустарников выше, чем у травянистых растений. Разные экологические группы различаются по величине осмотического давления. Особенное значение имеет снабжение растений водой. У растений пустынь осмотическое давление больше, чем у степных растений. У степных — больше, чем у луговых. Еще меньше осмотическое давление у растений болотных и водных местообитаний. У светолюбивых растений осмотическое давление больше, чем у теневыносливых. Растение в определенной степени регулирует величину осмотического давления. Ферментативное превращение сложных нерастворимых веществ в растворимые (крахмала в сахара, белков в аминокислоты) приводит к возрастанию концентрации клеточного сока и повышению осмотического давления.
Однако, говоря о поступлении воды в клетку, надо учитывать, что наряду с осмотическим давлением в клетках существует давление набухания. Давление набухания связано со способностью гидрофильных коллоидов притягивать к себе молекулы воды. Сила, с которой коллоиды притягивают воду, и представляет собой давление набухания. Большое значение давление набухания имеет для молодых меристематических клеток, в которых отсутствуют вакуоли и которые заполнены коллоидным веществом [2, с.407].
В) Мориц Траубе, изучение тургорного давления
По окончании гимназии занимался в Берлине естественными науками и специально химией под руководством Е. Митчерлиха, Г. Розе и Раммельсбурга. Из Берлина Траубе перешел в Гиссен, где занимался в лаборатории Либиха. В 1846 г. Траубе. снова вернулся в Берлин, и через род получил степень доктора философии за химическую диссертацию «De nonnullis Chromii connubiis». Чтобы приобрести практические сведения. Траубе поступил на одну берлинскую красильню, но вскоре вернулся в Ратибор.
После смерти отца, он продолжал его дело (виноторговля) и досуги посвящал любимым занятиям теоретической химией. Его работы, сделанные в маленьком Ратиборе, вдали от общения с учеными, поразительны, отличаясь замечательной ясностью, логичностью мышления и новизной идей.
С 1851 по 1894 г. Траубе опубликованы 42 монографии, в которых он высказал совершенно новые взгляды на процессы брожения, нашедшие блестящее подтверждение в работах последних десятилетий. Процессы брожения вызываются, по мнению Траубе, не самими организмами брожения (дрожжами), но теми ферментами, которые эти организмы вырабатывают и выделяют в окружающую среду.
Громадное влияние на общую физиологию оказало открытие Траубе, касающееся образования растительных клеток. До того существовало представление, что в образовании, питании и росте клеток играют главную роль исключительно жизненные процессы.
Опыты Траубе показали, что можно найти такие неорганические химические соединения, которые при взаимодействии образуют совершенное подобие растительной клеточки, способной вбирать в себя одни вещества из окружающей среды и выделять другие. По теории Траубе, рост клеточек происходит вследствие внутреннего гидростатического давления (тургор).
Во внимание к трудам Траубе университет в Галле преподнес ему в день празднования своего 300-летнего юбилея в 1874 г., диплом на степень Dr. med. et chir. Не занимая никогда профессорского места, числясь корреспондентом Берлинской академии наук в течение всей своей жизни, Траубе не прерывал занятий наукой и умер среди начатых работ [5].
3. Практическая часть
А) Эксперимент с медным купоросом и желтой кровяной солью
Данный эксперимент имеет недостаток – в нём используются редкий, токсичный реактив – желтая кровяная соль [10, c.90]. Поэтому этот эксперимент ученики не смогут при желании повторить дома.
Используемые реактивы и оборудование:
В химическом стакане приготовим 5% раствор CuSO4. Для этого растворим при помешивании 15 г соли в 285 мл дистиллированной воды при комнатной температуре. Наблюдаем появление голубого мутного раствора CuSO4 в воде. Для подавления гидролиза сульфата меди по катиону в водном растворе, добавляем в стакан несколько крупинок лимонной кислоты. Наблюдаем, что раствор стал прозрачным. Это очень удобно для наблюдения процессов формирования клеточек Траубе.
После этого пинцетом поместим небольшой кристаллик желтой кровяной соли на дно стакана. Наблюдаем рост клеточки Траубе.
Рис.4. Рост клеток Траубе в растворе медного купороса.
Объяснение наблюдаемых процессов:
2 CuSO4 + K4[Fe(CN)6] ®Cu2[Fe(CN)6] + 2 K2SO4
Концентрация желтой кровяной соли внутри клетки больше, чем концентрация сульфата меди снаружи. В результате вода проникает в клетку, тем самым увеличивая ее до тех пор, пока концентрации желтой кровяной соли и сульфата меди не уравняются. За счет давления мембрана из гексацианоферрата(II) меди постоянно разрывается. На месте разрыва опять взаимодействуют сульфат меди и желтая кровяная соль, и пленка образуется снова. Поэтому клеточка Траубе растет неравномерно.
Б) Эксперимент с хлоридом железа (III) и силикатным клеем
Данный эксперимент еще называется «Силикатный сад» и имеет преимущество перед предыдущим в плане большей доступности реактивов. Так силикатный клей можно приобрести в канцелярском магазине, а реактив FeCl3 в магазине для радиолюбителей (он используется при пайке радиодеталей). Поэтому этот эксперимент ученики смогут при желании повторить у себя дома неограниченное количество раз, наблюдая, как на скорость и размер «водорослей» влияет разная концентрация силикатного клея в воде и размеры кристаллов хлорида железа (III).
Реактивы и оборудование:
Смешиваем силикатный клей и воду в соотношении 1:1. Насыпаем в полученный раствор немного соли FeCl3. Наблюдаем, как из кристалликов соли постепенно вырастают красивые «водоросли».
Рис.5. Рост клеток Траубе в силикатном растворе.
Объяснение наблюдаемых процессов:
Силикаты многих металлов плохо растворить в воде. Клей содержит относительно хорошо растворимые силикаты калия и натрия. В реакции обмена образуются силикаты железа, которые в водном растворе сразу же подвергаются гидролизу с образованием нерастворимого гидроксида железа (III)
2FeCl3 +3Na2SiO3 ® Fe2(SiO3)3 + 6NaCl
Fe2(SiO3)3 + 6H2O ® 2Fe(OH)3¯ + 3H2SiO3
Клеточная мембрана живой клетки обладает свойством полупроницаемости. Это явление демонстрируется в опыте с искусственной клеткой Траубе.
Изучена сущность осмотических процессов и проведены эксперименты по воздействию гипертонических, гипотонических и изотонических растворов на живые клетки с применением модельной клеточки Траубе.
Сделано заключение о том, что получение клеточки Траубе с применением силикатного водного раствора и хлорида железа (III) более доступно и безопасно для школьников, чем способ с использованием медного купороса и желтой кровяной соли при проведении подобного эксперимента в домашних условиях.