ВОДА И ЕЕ РОЛЬ В ПРОЦЕССЕ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Как известно, жизнь зародилась в воде и по-прежнему остается с ней тесно связанной. Поэтому физико-химические свойства воды имеют фундаментальное значение для процессов жизнедеятельности.

КОЛЛИГАТИВНЫЕ СВОЙСТВА ВОДЫ. ОСМОТИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ ПЛАЗМЫ КРОВИ. ГОМЕОСТАЗ

Организм человека в среднем на 60 % состоит из воды. Вода заполняет все составные части клетки и внеклеточного пространства и представляет собой среду, в которой осуществляется транспорт веществ, метаболические реакции и перенос химической энергии. Вода является основой циркулирующей жидкости, а также принимает участие в обменных процессах. Она выступает в роли среды, в которой растворены или диспергированы различные вещества, входящие в состав организма, в ней содержатся основные макрокомпоненты организма - белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты, а также микроэлементы.

Растворенные в воде вещества меняют ее физико-химические свойства. Известны такие свойства воды, изменение которых связано в основном с числом (количеством) растворенных частиц и не зависит от химического строения растворенного вещества. Эти свойства называют коллигативными. К ним относятся четыре термодинамических свойства воды, когда с увеличением концентрации растворенного вещества наблюдается: 1) понижение давления пара над раствором; 2) повышение температуры кипения воды и

  • 3) понижение температуры ее замерзания; 4) повышение осмотического давления раствора.
  • 1. Изменение давления пара над раствором в зависимости от количества растворенного вещества определяется первым законом Рауля - давление пара раствора, содержащего нелетучее растворенное вещество, прямо пропорционально молярной доле растворителя;

где р - давление пара над раствором, Па; Кр - константа Рауля, Па; x(Xw) - молярная доля растворителя XW9 численно равная отношению количества растворителя n(Xw), моль, к сумме количества растворителя и количества растворенного вещества n(Xj)9 моль:

Закон Рауля точно соблюдается только для идеальных растворов.

2—3. Повышение температуры кипения и понижение температуры замерзания являются прямыми следствиями понижения давления (упругости) пара растворителя над раствором и описываются вторым законом Рауля:

Так, чистая вода при атмосферном давлении замерзает при 273,16 К и кипит при 373,16 К. При растворении в воде какого- либо вещества давление ее пара понизится, и для того, чтобы раствор закипел, необходимо нагреть его до более высокой температуры, при которой давление пара станет равным атмосферному. Известно, что жидкость замерзает при той температуре, при которой давление пара вещества в твердом состоянии становится равным давлению пара этого вещества в жидком состоянии. Так, при 273,16 К давление пара льда (0,613 кПа) равно давлению пара воды (лед и вода могут сосуществовать при одной температуре) - это температура замерзания. Поскольку температура замерзания и температура кипения характеризуют фазовые переходы вещества, соотношение между этими величинами можно продемонстрировать фазовой диаграммой (рис. 2.1). На рис. 2.1 приведены фазовые диаграммы паров льда, воды и водных растворов. Видно, что при снижении давления насыщенного пара над раствором (кривые BD и В К) растет температура кипения воды (сравните положения точек D и К с точкой С) и понижается температура замерзания (сравните положения точек В и В' с точкой А).

Фазовые диаграммы паров льда, воды и водных растворов различных концентраций

Рис. 2.1. Фазовые диаграммы паров льда, воды и водных растворов различных концентраций:

АС - линия температурной зависимости давления насыщенного пара над водой (или кривая испарения); BD и В'К - линии температурных зависимостей давления насыщенного пара над растворами различных концентраций (кривые испарения); ЕА - линия температурной зависимости давления насыщенного пара надо льдом

(кривая возгонки)

Раствор 1 моля (1 М) идеального нелетучего вещества в 1000 г воды называют моляльным. В таком растворе влияние растворенного вещества проявляется в том, что при давлении 760 мм рт. ст. температура замерзания воды равна -1,86 °С, температура кипения + 100,543 °С, осмотическое давление 22,4 атм. (Сравни: в этих условиях температура замерзания чистой воды (Т^м) равна 0 °С и температура кипения (Т0кИп) чистой воды -100 °С.)

Поскольку 1 моль понятие количественное и соответствует содержанию определенного числа молекул, а именно 6,02* 1023, то изменения температуры замерзания и температуры кипения растворов, содержащих одинаковые количества растворенного вещества независимо от их химического строения, будут одинаковыми. Например, 1М раствор глицерина и 1М раствор глюкозы имеют температуру замерзания -1,86 °С, а температура замерзания 0,1М этих же растворов составит - 0,186 °С; 0,1М раствор NaCl в результате полной диссоциации вещества в воде будет содержать в 2 раза большее число частиц по сравнению с 0,1М раствором глицерина, и температура замерзания 0,1М раствора NaCl будет в 2 раза выше температуры замерзания раствора глицерина той же концентрации, а именно -0,372 °С.

Понижение температуры замерзания и повышение температуры кипения идеального одномоляльного раствора называют криоскопической (К) и эбулиоскопической (Е) константами соответственно.

4. Повышение осмотического давления раствора.

От количества воды в организме зависит концентрация веществ в клетке и интрацеллюлярных (внутриклеточных) жидкостях. Все процессы в организме сбалансированы так, что эти концентрации остаются постоянными. Регуляция концентраций веществ в клетках и в интрацеллюлярных жидкостях связана с осмосом.

Осмос - это явление направленной диффузии через полупроницаемую мембрану растворителя (воды) из зоны с пониженной концентрацией веществ в зону их повышенной концентрации, при которой концентрации по обеим сторонам мембраны выравниваются. В результате происходит разбавление раствора в зоне повышенной концентрации. Осмотическое давление определяется силой, которую необходимо приложить для предотвращения этого направленного движения растворителя. Схематически явление осмоса представлено на рис. 2.2.

Основной фактор, поддерживающий равновесие (водный баланс) между интра- (внутриклеточными) и экстрацеллюлярными (межклеточными) объемами жидкости, - осмотическое давление (л) плазмы крови, которое в организме человека при 37 °С колеблется в пределах 7,7...8,1 атм.

где i - осмотический коэффициент; С - концентрация растворенных веществ; R - универсальная газовая постоянная; Т - температура.

Уровень осмотического давления крови определяется концентрацией в ней солей Na, которые задерживают воду и тем самым создают осмотическое давление. В плазме крови и в межклеточном пространстве концентрация солей, выраженная в весовых единицах W, равна 0,9 %, что составляет 0,15 моль/л.

Осмос и осмотическое давление

Рис. 2.2. Осмос и осмотическое давление:

а - исходное состояние; б - конечное состояние: в результате направленной диффузии происходит увеличение объема жидкости в зоне повышенной концентрации раствора и столб жидкости высотой h создает давление, препятствующее диффузии; в - сила, приложенная к поршню, численно равная гидростатическому давлению столба жидкости высотой А, и является осмотическим давлением

Растворы, имеющие осмотическое давление, равное осмотическому давлению плазмы крови, носят название изотонических. Растворы с более низким осмотическим давлением называются гипотоническими, а с более высоким - гипертоническими. Изотоническим плазме крови будет 0,9 %-ный раствор NaCl - такой раствор принято называть физиологическим.

Если клетка находится в контакте с гипертоническим раствором, то вода начинает выходить из нее путем осмоса через плазматическую мембрану. Этот процесс называют плазмолизом.

Помещение крови в гипертонический раствор приводит к тому, что эритроциты уменьшаются в объеме, сморщиваются в результате выхода из них воды и разрушаются. При разведении же крови водой эритроциты набухают и разрываются. В результате гемоглобин, заключенный в эритроцитах, переходит в раствор, образуется так называемая лаковая кровь. Процесс разрушения эритроцитов и переход гемоглобина в плазму носит название гемолиз.

Способность воды изменять свои свойства под влиянием растворенных в ней веществ имеет важное биологическое значение. Например, благодаря наличию в крови растворенных веществ, в частности белков, не способных проходить сквозь капиллярные мембраны, в ней создается более высокое осмотическое давление, чем в межклеточной жидкости. В результате вода диффундирует из межклеточной жидкости в капилляры, что приводит к заполнению сосудистой системы и предохраняет ее от коллапса.

Водный обмен тесно связан с солевым, а поддержание водносолевого баланса - гомеостаза (постоянства соотношений солей) жизненно необходимо для осмотической регуляции. За осморегуляцию и поддержание концентрации ионов Na+ и К+ отвечает специальная группа гормонов, главными из которых у позвоночных являются антидиуретический гормон, гипоталамо-гипофизарный комплекс, а также вазопрессин и альдостерон. Вазопрессин у млекопитающих тормозит диурез почками, способствует задержанию воды в организме, регулирует осмотическое давление крови. Альдостерон регулирует осмопроцессы, избирательно влияет на обмен ионов Na+, К+ и Н+, поддерживает их нормальную концентрацию в меж- и внутриклеточном пространстве.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >