funcția osmotică. Fenomenul osmozei. Total celular extracelular

Principalele modele de intrare a apei în celulă

Deoarece cea mai mare parte a apei prezente în celulă se află în vacuola, să începem să luăm în considerare problema fluxului de apă din calea pe care o depășește molecula de apă atunci când intră în vacuola celulară. Apa trebuie să treacă prin două membrane (plasmalemă și tonoplast) și prin citoplasmă (mezoplasmă) aflată între ele. De obicei, toate aceste trei structuri sunt considerate ca o singură barieră membranară.

Ca să ne imaginăm cum trece apa prin membrană, să punem într-un vas cu apă distilată o celulă, în vacuolele căreia se află săruri, zaharuri, aminoacizi etc. Conform teoriei cinetice moleculare, moleculele tuturor substanțelor se află într-o stare de mișcare haotică rapidă, a cărei viteză depinde de energia acestor molecule. Deoarece moleculele de apă sunt mici și se deplasează prin membranele celulare mult mai repede decât moleculele altor substanțe, ne putem limita, de dragul simplității, la mișcarea moleculelor de apă. Aceste molecule difuzează în toate direcțiile: în și în afara celulei, în și în afara diferitelor organite celulare. Vacuola conține cantități semnificative de substanțe dizolvate. Moleculele acestor substanțe dizolvate slăbesc legăturile dintre moleculele de apă conținute în vacuolă, atrăgându-le spre ele însele și reducând astfel fluxul total din celulă către exterior. Într-un fel, substanțele dizolvate reduc activitatea moleculelor de apă. În consecință, energia cinetică a apei din vacuole este mai mică decât în ​​apa relativ mai pură din afara celulei. Aceasta înseamnă că în afara vacuolei, mai multă apă lovește orice parte a membranei sale pe unitatea de timp și mai multe dintre ele pătrund în această parte în interior decât în ​​afara acesteia. Ca urmare a acestei difuzii bilaterale neuniforme rapide a moleculelor de apă prin membrana vacuolei, volumul acesteia din urmă crește și se creează turgor - conținutul celulei este presat pe peretele acesteia.

Mecanismul osmotic al aportului de apă

Difuzia unidirecțională este cauzată de diferența în concentrațiile soluției de pe ambele părți ale membranei. Un sistem care conține soluții de diferite concentrații (sau o soluție și un dizolvat) separate de o membrană se numește osmotic. Spațiul înconjurat de o membrană permeabilă selectiv și umplut cu un fel de soluție apoasă se numește celulă osmotică.

Celula este un sistem osmotic: o soluție mai concentrată este conținutul intracelular (sucul vacuolar), o soluție mai puțin concentrată este o soluție în spațiul liber al celulei, rolul unei membrane permeabile care separă aceste spații îl joacă plasmalema, mezoplasma si tonoplastul.

Difuzia apei printr-o membrană permeabilă selectiv se numește osmoză; concentrația de substanțe dizolvate în vacuol servește ca măsură a capacității maxime a celulei de a absorbi apă.

Studiu celula plantei ca un sistem reglat osmotic a început cu mult timp în urmă. Cu aproximativ 180 de ani în urmă (1826), botanistul francez G. Dutrache a studiat osmoza într-o celulă folosind un dispozitiv foarte simplu: a atașat o pungă de pergament la vârful unui tub de sticlă, a umplut-o cu o soluție de sare sau zahăr și a coborât într-un pahar cu apă; în același timp, s-a observat mișcarea apei în sac și ușoară creștere a acesteia de-a lungul tubului. Acest model de celule simplu a fost numit osmometrul Dutrochet. Dar eliberarea zahărului din sac nu a permis determinarea presiunii osmotice.

În 1877, botanistul german W. Pfeffer a creat un model mai avansat al unei celule vegetale (Fig. 4.2).

Orez. 4.2. Celula osmotică: A– osmometru Pfeffer; B- celula plantei

În osmometrul Pfeffer, spre deosebire de osmometrul Dutrachet, a apărut un detaliu care imita o membrană celulară - un vas poros de porțelan. S-a obținut o membrană permeabilă după cum urmează: o soluție de sulfat de cupru a fost turnată în vas și apoi a fost coborâtă într-o soluție de ferocianură de potasiu. Ca rezultat, s-a format o membrană de ferocianură de cupru permeabilă selectiv în porii care erau în porțelan. În acest caz, s-a format o membrană permeabilă în peretele vasului poros, la fel cum plasmalema intră în cavitățile interfibrilare ale peretelui celular. Apoi vasul de porțelan a fost umplut cu o soluție de zahăr care simulează sucul vacuolar și a fost pus în apă. Apa a intrat în aparat. Conectând dispozitivul său de simulare a celulei la un monometru, W. Pfeffer a descoperit că nivelul lichidului din monometru crește mai întâi mai repede, apoi mai încet, până când atinge un anumit nivel. Presiunea hidrostatică a coloanei de lichid la tubul monometric servește ca măsură a presiunii osmotice a soluției.

Presiunea osmotică poate fi detectată numai dacă soluția se află într-un vas cu o membrană permeabilă selectiv, pe cealaltă parte a căreia se află un solvent. Astfel, presiunea osmotică în absența unei membrane permeabile este, așa cum ar fi, într-o stare potențială și, prin urmare, i s-a dat numele de potențial osmotic și a fost notat cu litera. R. Cu ajutorul osmometrului W. Pfeffer s-a constatat că potențialul osmotic este proporțional cu temperatura și concentrația sucului vacuolar. Prin urmare, valoarea R nu este permanentă.

Pentru a calcula presiunea potențială, utilizați formula (legea Boyle-Mariot pentru gaze):

R = iСRT, (4.1)

Unde CU este concentrația soluției în moli; T este temperatura absolută; R este constanta gazului; i– coeficient izotonic egal cu 1 + a ( n– 1), a este gradul de ionizare, n este numărul de ioni prin care molecula de electrolit se disociază.

Această expresie este valabilă pentru soluțiile diluate și înseamnă că presiunea osmotică la o temperatură constantă este determinată de concentrația de particule (molecule, ioni) de substanță dizolvată (cantitatea pe unitatea de volum a soluției). Presiunea osmotică potențială reflectă presiunea maximă posibilă pe care o are o soluție cu o anumită concentrație sau capacitatea maximă a unei soluții dintr-o celulă de a absorbi apă.

Astfel, valoarea potenţialului osmotic al celulei este afectată de concentraţia de substanţe dizolvate în sucul vacuolar. Aceste substanțe sunt numite active osmotic. Acestea includ acizi organici, aminoacizi, zaharuri, săruri. Concentrația totală a acestor substanțe în sucul vacuolar variază de la 0,2 la 0,8 M.

Valoarea potențialului osmotic este diferită pentru diferite specii de plante. Cea mai mică presiune osmotică la plantele care cresc în apă dulce (1–3 atm), în alge marine ajunge la 36–55 atm. Pentru plantele anuale terestre este caracteristică următoarea regularitate: în locurile mai uscate, plantele au și valori mari ale potențialului osmotic. În condiții normale de alimentare cu apă, potențialul osmotic al celulelor este de 5–10 atm, pe solurile sărate - 60–80 atm și chiar 100. Cel mai mare potențial osmotic care a fost observat pe solurile sărate este de 202,5 ​​atm. Excepția sunt suculentele. Crescând în locuri uscate, au un potențial osmotic scăzut, deoarece acumulează apă în celule.

Valoarea potențialului osmotic variază și în cadrul unei plante: cea mai mică în rădăcini (5-10 atm), cea mai mare în frunzele superioare (până la 40 atm). La plantele tinere, potențialul osmotic este mai mic decât la cele bătrâne.

Valoarea potențialului osmotic variază în funcție de condițiile externe: alimentare cu apă, temperatură, intensitatea luminii. Acești factori determină schimbările sale temporale. La prânz, pierderile de apă din cauza transpirației și acumulării de asimilați în celulele frunzelor determină creșterea potențialului osmotic. Cu o bună aprovizionare cu apă, în special la plantele acvatice, fluctuațiile potențialului osmotic depind doar de ratele procesului de fotosinteză asociate cu modificările intensității luminii în timpul zilei.

În celulele meristematice care nu conțin vacuola centrală are loc și intrarea osmotică a apei, în timp ce membrana permeabilă selectiv este plasmalema, iar soluția care acționează osmotic este citoplasma.

După lucrările lui W. Pfeffer, intrarea apei în celulă a început să fie explicată prin diferența dintre potențialele osmotice ale sucului vacuolar și soluția externă. În cazul în care celula se afla într-o soluție hipotonă, apă a intrat în ea (endoosmoză). Dacă celula era într-o soluție hipertonică, atunci a ieșit apă din ea (exoosmoză). În acest din urmă caz, protoplastul, în urma vacuolei care se micșorează, ar putea rămâne în urma membranei celulare, iar în acest caz se observă plasmoliza. Cu aceleași potențiale osmotice ale soluțiilor din celulă și din exterior (soluție izotonă), cantitatea de apă din celulă nu se modifică.

Această explicație pentru intrarea apei în celulă a fost considerată pentru o lungă perioadă de timp singura. Totuși, în 1918, A. Urshprung și G. Blum (Germania) au arătat că curgerea apei în celulă depinde nu numai de diferența de potențiale osmotice, ci și de așa-numita forță de aspirare. Să explicăm acest termen.

Când apa pătrunde în celulă, volumul vacuolei crește, iar acesta din urmă pune din ce în ce mai multă presiune asupra citoplasmei. Citoplasma este presată pe membrana celulară. Membrana celulară este întinsă, iar volumul celulei crește. Presiunea protoplastului asupra membranei celulare se numește turgor. Au început să-l desemneze cu litera T. Dacă peretele celular s-ar putea întinde la infinit, atunci absorbția apei ar merge pentru a egaliza concentrația de soluții în exterior și în interior. Dar peretele celular are o elasticitate redusă, așa că începe să împingă protoplastul în direcția opusă. Presiunea din spate a peretelui celular de pe protoplast se numește tensiune de turgescență. Deoarece presiunea este aceeași cu contrapresiunea, valoarea absolută a presiunii turgenței este aceeași cu tensiunea turgenței. Fiind hidrostatică, presiunea turgenței contracarează intrarea ulterioară a apei în celulă, în același mod ca și coloana de lichid din tubul unui osmometru Pfeffer. Odată cu intrarea treptată a apei în celulă, presiunea membranei celulare pe protoplast crește și, în final, aceasta va deveni egală cu presiunea osmotică. Curgerea apei în celulă se va opri, va veni echilibrul, ceea ce se numește stare de saturație: cantitatea de apă din vacuolă nu se modifică, deși moleculele de apă continuă să se deplaseze prin membrană în ambele direcții.

În starea de saturație, potențialul osmotic este același ca valoare absolută cu presiunea turgenței: R = T. Astfel, apa poate intra in celula doar daca potentialul osmotic depaseste presiunea turgescenta. Forța cu care apa intră în vacuolă a fost numită aspirație: S = R – T.

Această expresie a devenit principala în determinarea cantității de apă care intră în celulă din cauza forțelor osmotice.

Dacă celula este complet saturată cu apă (turgenescentă) S= 0, atunci R = T(partea dreaptă a imaginii). Când aprovizionarea cu apă scade (vânt, lipsă de umiditate în sol etc.), atunci mai întâi există un deficit de apă în membranele celulare, potențialul de apă din acestea scade (devine mai mic decât în ​​vacuole) și apa începe să se deplaseze în membranele celulare. Ieșirea apei din vacuolă reduce presiunea turgenței și astfel crește forța de aspirație. Cu o lipsă prelungită de umiditate, majoritatea celulelor își pierd turgul. In aceste conditii T = 0, S = R(Fig. 4.3).

Orez. 4.3. Relația dintre presiunea turgenței (T), presiunea osmotică (P) și forța de aspirație (S)

Când celula se află într-o soluție hipertonă, plasmoliza are loc cu o pierdere treptată a apei. Soluția externă trece cu ușurință prin peretele celular și umple spațiul dintre peretele celular și protoplastul contractant. Odată cu pierderea apei ca urmare a evaporării în aer, din cauza forțelor mari de aderență dintre moleculele de apă, protoplastul, micșorându-se în volum, nu rămâne în urma peretelui celular, ci îl trage de-a lungul. Membrana celulară, deplasându-se în spatele protoplastului contractant, se îndoaie și nu numai că nu o apasă, ci, dimpotrivă, încearcă să o întindă. În acest caz, valoarea presiunii turgenței devine negativă din pozitivă, de unde S = R – (–T) = R + T. Aceasta înseamnă că, în condiții de deshidratare severă, forța de aspirare a celulei poate fi mai mare decât potențialul osmotic. Această afecțiune se numește citoroză.

Pe măsură ce apa este absorbită de celulă, pe de o parte, are loc o scădere a potențialului osmotic datorită scăderii concentrației de suc vacuolar, iar pe de altă parte, turgența crește brusc; ca urmare, forța de aspirație este redusă. Când apa continuă să intre în celulă, forța de aspirație scade și devine egală cu zero. Alimentarea cu apă este oprită.

În consecință, afluxul de apă datorat forțelor osmotice creează condiții pentru eliminarea absorbției ulterioare a apei de către celulă. Dar celula continuă să evapore apa, turgul scade și forța de aspirare reapare. Astfel, procesul de intrare a apei în celulă este autoreglabil.

O celulă își poate crește potențialul osmotic și, prin urmare, puterea de aspirație, prin transportul activ de substanțe organice și minerale în vacuolă, precum și prin conversia enzimatică a substanțelor insolubile în substanțe solubile (amidon în zahăr, proteine ​​în aminoacizi) sau prin descompunerea hexozelor.pentru trioze, dizaharide pentru monozaharide.

În vremea noastră, cunoscuții experți în metabolismul apei din plante R. Slatcher și S. Taylor au propus înlocuirea termenului vechi și folosit pe scară largă „putere de aspirare” cu „potențial de apă”.

Conținutul articolului

OSMOZĂ, transferul unei substanțe dintr-o soluție în alta printr-o membrană. Membranele care nu sunt permeabile pentru toate, ci doar pentru anumite substanțe, se numesc semipermeabile. De exemplu, o membrană semi-permeabilă este atașată de coajă de ou din interior: permite trecerea moleculelor de apă și reține moleculele de zahăr. Dacă o astfel de membrană separă soluțiile de zahăr cu o concentrație de 5 și, respectiv, 10%, atunci numai moleculele de apă vor trece prin ea în ambele direcții. Deoarece apa va curge dintr-o soluție diluată într-una concentrată mai repede decât în direcție inversă, în general, mișcarea apei între cele două soluții va merge într-o singură direcție. Ca urmare, într-o soluție mai diluată, concentrația de zahăr va crește, iar într-una mai concentrată, dimpotrivă, va scădea. Când concentrația de zahăr din ambele soluții devine aceeași, echilibrul va ajunge. Soluțiile care au ajuns la echilibru se numesc izotonice.

Osmoza joacă un rol important în multe procese biologice. Membrana din jurul unei celule sanguine normale este permeabilă numai la moleculele de apă, oxigen, nutrienți dizolvați în sânge și deșeuri celulare; pentru moleculele mari de proteine ​​care sunt în stare dizolvată în interiorul celulei, este impenetrabilă. Prin urmare, proteinele care sunt atât de importante pentru procese biologice rămâne în interiorul celulei.

Atât mecanismul osmozei, cât și factorii care determină permeabilitatea membranei nu sunt încă pe deplin înțeleși. Dacă o anumită membrană este semi-permeabilă și, dacă da, pentru ce substanțe, poate fi cunoscut doar empiric.

presiune osmotica.

Când două soluții cu concentrații diferite de substanțe dizolvate sunt separate printr-o membrană semi-permeabilă, asupra acesteia acționează o forță de la soluția mai diluată la cea mai concentrată. Această forță, numită presiune osmotică, poate fi foarte semnificativă. Într-un copac, de exemplu, sub acțiunea presiunii osmotice, seva plantei se ridică de la rădăcini până în vârf. Dar într-un copac, mișcarea unei soluții concentrate, care este sucul de legume, nu este limitată în niciun fel. Dacă o astfel de soluție se află într-un spațiu închis, de exemplu, într-o celulă sanguină, atunci presiunea osmotică poate duce la o ruptură a peretelui celular. Din acest motiv, medicamentele destinate administrării în sânge sunt dizolvate într-o soluție izotonă care conține atât clorură de sodiu (sare de masă) cât este necesar pentru a echilibra presiunea osmotică creată de lichidul celular. Dacă medicamentele perfuzate ar fi făcute cu apă, presiunea osmotică ar forța apa să pătrundă în celulele sanguine și le-ar provoca ruperea. Dacă în sânge se introduce o soluție prea concentrată de clorură de sodiu, atunci apa din celule va ieși și acestea se vor micșora.

Valoarea presiunii osmotice create de soluție depinde de cantitate, și nu de natura chimică a substanțelor dizolvate în ea (sau ionilor, dacă moleculele substanței se disociază). Cu cât concentrația soluției este mai mare, cu atât presiunea osmotică creată de aceasta este mai mare. Această regulă, numită legea presiunii osmotice, este exprimată printr-o formulă simplă, foarte asemănătoare cu legea gazelor ideale. Legea presiunii osmotice poate fi folosită pentru a calcula greutate moleculară a acestei substante.

Un rol uriaș în absorbția și eliberarea de substanțe de către o celulă vegetală îl joacă fenomenele de difuzie. Difuzia este mișcarea direcționată a particulelor unei substanțe către concentrația sa mai mică. - difuzia moleculelor de solvent într-o soluție printr-o membrană semipermeabilă care separă soluția de un solvent pur sau de o soluție cu o concentrație mai mică. Viteza de difuzie este invers proporțională cu dimensiunea și masa moleculelor; deci, zaharoza difuzează mai lent având o moleculă mai mică. Soluțiile coloidale (proteine ​​etc.) au o slabă capacitate de difuzare.

Osmometru Dutrochet

Presiune osmotica

Celula vegetală - sistem osmotic

Presiunea turgenței

Tensiune turgescentă

Trimiteți-vă munca bună în baza de cunoștințe este simplu. Utilizați formularul de mai jos

Studenții, studenții absolvenți, tinerii oameni de știință care folosesc baza de cunoștințe în studiile și munca lor vă vor fi foarte recunoscători.

postat pe http://www.allbest.ru/

Esența procesului de osmoză și rolul acestuia în sistemele biologice

Introducere

1. Osmoza directa

1.1 Esența procesului

1.2 Presiunea osmotică

2. Mecanismul osmozei directe în sistemele biologice

2.1 Structura membrana biologica

2.2 Mecanismul de osmoză directă

3. Osmoza inversa

Concluzie

Bibliografie

ÎNdirijarea

Fenomenul de osmoză stă la baza metabolismului tuturor organismelor vii. Datorită lui, fiecare celulă vie primește nutriențiși invers, se îndepărtează zgura. Fenomenul de osmoză se observă atunci când două soluții saline cu concentrații diferite sunt separate printr-o membrană semipermeabilă.

În prezent, tehnologia membranelor este una dintre cele mai dinamice domenii ale tehnologiei. S-a răspândit atât la nivel industrial, cât și la nivel casnic.

Principalul domeniu de aplicare al tehnologiei cu membrane este tratarea apei și tratarea apei, dar aplicarea sa nu se limitează la aceasta.

În industria chimică și petrochimică, metodele de separare prin membrană sunt utilizate pentru a separa hidrocarburile, amestecurile de compuși cu greutate moleculară mare și mică, amestecurile azeotropice, schimbarea echilibrului. reacții chimice prin îndepărtarea unuia dintre produsele sale prin membrană, concentrarea soluțiilor, separarea heliului și hidrogenului de gazele naturale, oxigenului din aer etc.

În microbiologie și industria medicală, metodele cu membrane sunt utilizate pe scară largă în procesele de izolare și purificare a substanțelor biologic active, vaccinuri, enzime, hormoni, viruși, purificarea sângelui și alte probleme tehnologice.

Scopul studiului este de a studia esența procesului de osmoză și rolul acestuia în sistemele biologice.

1. osmoza directa

1,1 Cesența procesului

Fenomenul de osmoză se observă în acele medii în care mobilitatea solventului este mai mare decât mobilitatea substanțelor dizolvate.

Un caz special important de osmoză este osmoza printr-o membrană semipermeabilă.

Se numesc membrane semi-permeabile, care au o permeabilitate suficient de mare nu pentru toate, ci numai pentru unele substanțe, în special pentru un solvent.

(Mobilitatea substanțelor dizolvate în membrană tinde spre zero).

De regulă, acest lucru se datorează dimensiunii și mobilității moleculelor, de exemplu, o moleculă de apă este mai mică decât majoritatea moleculelor de substanțe dizolvate.

Dacă o astfel de membrană separă soluția și solventul pur, atunci concentrația solventului în soluție este mai puțin ridicată, deoarece unele dintre moleculele sale sunt înlocuite acolo cu molecule ale substanței dizolvate (Fig. 1).

Figura 1. Osmoză directă

Ca rezultat, tranzițiile particulelor de solvent din secțiunea care conține solvent pur la soluție vor avea loc mai des decât în ​​direcția opusă.

În consecință, volumul soluției va crește (și concentrația substanței va scădea), în timp ce volumul solventului va scădea în consecință.

De exemplu, o membrană semi-permeabilă este atașată de coajă de ou din interior: permite trecerea moleculelor de apă și reține moleculele de zahăr. Dacă o astfel de membrană separă soluțiile de zahăr cu o concentrație de 5 și, respectiv, 10%, atunci numai moleculele de apă vor trece prin ea în ambele direcții.

Ca urmare, într-o soluție mai diluată, concentrația de zahăr va crește, iar într-una mai concentrată, dimpotrivă, va scădea. Când concentrația de zahăr din ambele soluții devine aceeași, echilibrul va ajunge. Soluțiile care au ajuns la echilibru se numesc izotonice. Dacă se are grijă ca concentrațiile să nu se modifice, presiunea osmotică va atinge o valoare constantă atunci când fluxul invers al moleculelor de apă devine egal cu cel direct.

Osmoza îndreptată spre interior volum limitat fluidul se numește endosmoză, spre exterior - exosmoză. Transportul unui solvent prin membrană este determinat de presiunea osmotică.

Această presiune osmotică apare conform principiului Le Chatelier datorită faptului că sistemul încearcă să egaleze concentrația soluției în ambele medii separate de o membrană și este descrisă de a doua lege a termodinamicii.

Este egal cu excesul de presiune externă care ar trebui aplicată din partea soluției pentru a opri procesul, adică pentru a crea condiții pentru echilibrul osmotic. Depășirea presiunii în exces față de presiunea osmotică poate duce la inversarea osmozei - difuzia inversă a solventului.

În cazurile în care membrana este permeabilă nu numai la solvent, ci și la unele substanțe dizolvate, transferul acestora din urmă din soluție în solvent permite dializa, care este utilizată ca metodă de purificare a polimerilor și a sistemelor coloidale din impuritățile cu greutate moleculară mică.

1.2 Presiune osmotica

Osmoza poate fi explicată prin faptul că concentrația de molecule de apă pe unitatea de volum într-un vas este mai mare decât în ​​altul, sau prin faptul că moleculele de apă în soluție sunt parțial legate de moleculele de zahăr, hidratându-le. În soluțiile diluate, osmoza nu depinde în mod explicit de tipul de dizolvat și de solvent.

De o importanță decisivă este concentrația soluției, mai precis, numărul de particule de dizolvat pe unitatea de volum.

Pentru studiul osmozei se folosește un dispozitiv special (Fig. 2), format din două vase: extern și intern.

Figura 2. Reprezentarea schematică a instrumentului pentru studiul osmozei

Fundul vasului interior este alcătuit dintr-un sept semi-permeabil (permeabil la solvent, dar nu permeabil la solut, cum ar fi celofanul).

Vasul exterior conține apă. În interior - o soluție în apă. Din vasul exterior, apa va trece în interior. În vasul interior, nivelul acestuia va crește.

Ca urmare, presiunea hidrostatică sub care se află soluția în vasul interior crește. Ca urmare, viteza de transfer al apei de la vasul interior la exterior crește. În cele din urmă, la o anumită înălțime a coloanei de soluție, vitezele de trecere a apei din vasul exterior în cel interior și de la vasul interior în cel exterior se vor egaliza, iar creșterea lichidului în tub se va opri.

Presiunea care corespunde acestui echilibru poate servi ca o caracteristică cantitativă a osmozei. Se numește presiune osmotică.

Presiunea osmotică este presiunea care trebuie aplicată unei soluții pentru a o aduce în echilibru cu un solvent pur separat de aceasta printr-o partiție semipermeabilă.

Analizând rezultatele studiului presiunii osmotice, J. van't Hoff a ajuns la concluzia că substanţa dizolvată în soluţii foarte diluate se comportă ca şi cum ar fi în stare gazoasă.

De aici a apărut ideea de a le aplica legile gazelor ideale. Apoi pentru rezolvare putem scrie:

Înlocuind n/V = c, obținem o ecuație numită legea lui Van't Hoff.

În aceste ecuații, n este înțeles ca presiune osmotică.

Dependența liniară a presiunii osmotice de concentrație pentru majoritatea soluțiilor de neelectroliți se păstrează până la concentrații de ordinul a 10-2 mol/l.

Obținem ecuația van't Hoff bazată pe concepte termodinamice. Solventul va pătrunde prin septul semi-permeabil până la stabilirea echilibrului.

Ecuația van't Hoff arată că presiunea osmotică este egală cu presiunea pe care o produce un dizolvat dacă acesta, sub formă de gaz ideal, ar ocupa același volum ca într-o soluție la aceeași temperatură.

Presiunea osmotică este foarte mare importanțăîn procesele vitale ale diferitelor organisme, determinând distribuția substanțelor dizolvate și a apei în țesuturi. Presiunea osmotică a sângelui la om este de aproximativ 8,1 105 Pa (8 atm.).

Odată cu scăderea conținutului de apă din organism, apare o senzație de sete, a cărei stingere restabilește echilibrul apă-sare și presiunea osmotică a sângelui.

Asa-zisa putere de aspirare a celulei depinde de presiunea osmotica, ajungand la o valoare de 4,04 107 (400 atm.) in seminte la 6% umiditate, ceea ce asigura absorbtia apei necesare germinarii chiar si din sol relativ uscat.

Din (3) se poate observa că valoarea presiunii osmotice este determinată numai de concentrația substanței dizolvate și nu depinde de natura soluției, ceea ce face posibilă atribuirea acestui efect proprietăților coligative.

Luați în considerare încă două proprietăți de acest fel: o scădere a punctului de îngheț (solidificare) a unei substanțe și o creștere a punctului de fierbere.

Diferența dintre punctul de îngheț al solventului și soluția se numește scădere a punctului de îngheț.

Diferența dintre punctele de fierbere ale soluției și solventului se numește creșterea punctului de fierbere al soluției Tbp.

Ambele proprietăți sunt în deplin acord cu principiul lui Le Chatelier. Pentru a demonstra cele de mai sus, considerăm un sistem de echilibru format din două faze: o substanță solidă A și o soluție lichidă a substanței B, în care A este solventul.

Să creștem concentrația soluției, adică. continutul de component B in faza lichida. Conform principiului lui Le Chatelier, procesele ar trebui să se intensifice în sistem, căutând să slăbească impactul produs. În acest caz, aceasta înseamnă că procesele care pot reduce concentrația soluției ar trebui să crească în sistem.

Pentru sistemul în cauză, acest lucru este posibil numai datorită trecerii unei părți a solventului de la starea solidă la starea lichidă. Cu toate acestea, dacă la o anumită temperatură are loc o tranziție a unei substanțe de la o stare solidă la o stare lichidă, atunci această temperatură este peste punctul de îngheț. Prin urmare, punctul de îngheț al soluției a scăzut pe măsură ce concentrația soluției crește.

În mod similar, pe baza principiului Le Chatelier, este posibil să se justifice o creștere a punctului de fierbere a unei soluții dintr-o substanță nevolatilă.

Pentru a face acest lucru, luați în considerare un sistem în două faze de vapori - soluție lichidă. Să fie sistemul în echilibru; iar o fază să fie vapori ai substanței A, iar cealaltă o soluție lichidă a substanței B în A.

Creșteți concentrația soluției (concentrația lui B în A). Conform principiului lui Le Chatelier, aceasta ar trebui să inițieze procese care să permită nivelarea creșterii concentrației produse.

Aici, astfel de procese includ condensarea solventului din faza de vapori. Este ușor de înțeles că condensul va duce la o scădere a presiunii vaporilor.

Scăderea presiunii vaporilor de saturație crește punctul de fierbere. Fierberea unui lichid are loc atunci când presiunea vaporilor saturati deasupra lichidului este egală cu presiunea exterioară.

Deasupra soluției, presiunea vaporilor saturați scade. Aceasta înseamnă că pentru a obține egalitatea de presiune indicată, soluția trebuie încălzită suplimentar. De aici afirmația despre creșterea punctului de fierbere al soluției în comparație cu substanța pură.

Efectul creșterii punctului de fierbere poate fi explicat în alt mod (Fig. 3).

Figura 3 Creșterea punctului de fierbere

Într-adevăr, în cazurile în care substanța dizolvată are o presiune de vapori neglijabilă, presiunea de vapori a soluției este egală cu presiunea de vapori a solventului. Pentru soluțiile ideale, presiunea de vapori a solventului este determinată de legea lui Raoult:

unde indicii "A" și "B" se referă la solvent și, respectiv, la solut.

Din (4) rezultă că odată cu creșterea xv, presiunea vaporilor saturați scade, ceea ce înseamnă că punctul de fierbere crește.

Toate cele de mai sus sunt demonstrate de o cifră care reflectă dependența presiunii vaporilor saturați față de o substanță de temperatură.

Fierberea are loc atunci când presiunea vaporilor saturați peste lichid este egală cu presiunea externă (atmosferică).

Pentru a găsi punctele de fierbere ale unui solvent pur și ale soluțiilor, este suficient să găsiți punctele de intersecție ale izobarei la p = 1,013 10-5 Pa cu curbele diagramei de stare în coordonatele p - T (vezi Fig. 1) . Din figură se poate observa că soluția fierbe la o temperatură mai mare decât solventul pur.

difuzia membranei biologice de osmoză

2. Mecanismul osmozei directe în sistemele biologice

Formele de legare la umiditate în acest sistem joacă un rol semnificativ în formarea mecanismului de osmoză directă și determină de fapt semi-permeabilitatea membrana celulara.

Clasificarea formelor de legături de umiditate ale unui sistem similar în două faze separate de o membrană biologică va fi luată în considerare din punctul de vedere al clasificării formelor de legături de umiditate propusă de P.A. Rebinder, care face posibilă luarea în considerare atât a naturii educației diferite forme legături și energia conexiunii lor cu materialele.

În conformitate cu punctul de vedere al acestei clasificări, umiditatea localizată în interiorul celulei de drojdie trebuie considerată umiditate reținută osmotic datorită difuziei selective a apei din mediu inconjurator. Umiditatea reținută osmotic se caracterizează printr-o energie de legare de intensitate scăzută, nu diferă în proprietățile sale de apa obișnuită și are capacitatea de a difuza liber prin membranele celulare sub influența unei diferențe de concentrații în interiorul și exteriorul celulelor.

Categoria umidității intracelulare poate include și umiditatea imobilizată în capilarele peretelui celular al unei celule de drojdie - umiditatea capilară, care joacă un rol semnificativ în mecanismul de redistribuire a umidității și determină de fapt semipermeabilitatea biomembranei.

Deci, din analiză literatura stiintifica Se știe că umiditatea localizată în capilarele cu diametrul mai mare de 10-7 m (umiditatea macrocapilarelor) nu are nicio legătură cu materialul și se poate mișca liber în procesul de difuzie.

La rândul său, umiditatea localizată în capilare cu diametrul mai mic de 10-7 m (umiditate microcapilară) și datorită legăturii de adsorbție a stratului polimolecular din apropierea pereților capilarului nu este liberă. O astfel de umiditate nu participă la procesele de difuzie datorită proprietăților speciale caracteristice umidității legate.

De regulă, umiditatea legată de adsorbție imobilizată pe suprafața unei biomembrane sub forma unui strat monomolecular de suprafață de apă adsorbită (înveliș hidratat) nu participă, de asemenea, la procesele de redistribuire a umidității din cauza valorilor ridicate ale legăturii. energia moleculelor de apă cu suprafața biomembranei. Straturile ulterioare ale lichidului legat de adsorbție (adsorbția polimoleculară) sunt ținute mai puțin ferm și pot fi implicate în procesele de difuzie.

Umiditatea legată chimic nu joacă un rol semnificativ în formarea mecanismului de redistribuire a umidității, deoarece cantitatea sa este nesemnificativă, iar legăturile de natură ionică și moleculară sunt foarte puternice.

Astfel, umiditatea reținută osmotic, umiditatea macrocapilară și excesul de umiditate extracelular liber localizat în spațiul intercelular al biomasei de drojdie sunt implicate în formarea mecanismului de osmoză directă - redistribuirea umidității în biomembrana celulei de drojdie (Fig. 4). ).

Figura 4. Forme de legare la umiditate într-o celulă de drojdie localizată într-o suspensie de drojdie: 0 - umiditate legată chimic; 1 - umiditate reținută osmotic (umiditate intracelulară liberă); 2 - umiditatea liberă a capilarelor (umiditatea macrocapilarelor); 3 - umiditatea legată a capilarelor (umiditatea microcapilarelor); 4 - umiditate legată de adsorbție; 5 - umiditate extracelulară liberă (umiditate intercelulară în exces)

2.1 CUstructura biologică a membranei

Structura membranei celulare semi-permeabile a unei celule de drojdie, care este un corp capilar-poros, joacă un rol cheie în formarea mecanismului de osmoză directă - un proces spontan determinat osmotic de redistribuire a umidității din mediul intracelular al unui celula de drojdie în spațiul intercelular atunci când o componentă osmoinductoare (de obicei un electrolit) este introdusă în suspensia de drojdie.

Astfel, un rol semnificativ în formarea mecanismului de redistribuire îl joacă sistemul de pori (capilare) al peretelui celular al membranei biologice, care este semipermeabil, adică scăzut selectiv pentru moleculele de apă și foarte selectiv pentru ionii hidratați. a componentei osmoinductoare.

Pe baza ideilor despre structura soluțiilor și a rezultatelor experimentelor, se poate susține că capacitatea de hidratare a ionilor afectează selectivitatea și permeabilitatea membranelor.

Fenomenul de hidratare constă în faptul că ionii substanței dizolvate sunt înconjurați de un solvent și se mișcă cu o parte a acestuia care interacționează cu acesta.

În acest caz, se poate observa atât hidratarea primară, cât și cea secundară. Hidratarea primară constă în legarea puternică a ionilor moleculei de apă, până la formarea legăturilor donor-acceptor. Secundar - este o interacțiune electrostatică a moleculelor de apă cu ionii primari hidratați.

Moleculele de apă situate în imediata apropiere a ionilor substanțelor dizolvate formează un înveliș de hidratare, numărul de molecule în care se caracterizează numărul de coordonare de hidratare.

Interacțiunea electrostatică nu este singura cauză a hidratării - aceasta din urmă se poate datora și forțelor chimice.

Având în vedere cele de mai sus și pe baza ideile contemporane o fluid legat, procesul de permeabilitate selectivă a membranei celulare de drojdie în raport cu solutii apoase electroliţii pot fi reprezentaţi după cum urmează.

Un strat de apă legată apare la suprafața și în interiorul porilor (capilarelor) membranei celulare a unei celule de drojdie localizată într-o suspensie de drojdie. Apa de la interfața membrană-soluție diferă prin proprietăți de apa în stare liberă. De exemplu, apa legată își pierde în mare măsură capacitatea de dizolvare, astfel încât prezența apei legate în porii membranei celulare a unei celule de drojdie este una dintre principalele cauze de obstrucție pentru acele molecule de solut pentru care apa legată practic nu este un solvent. Dacă diametrul d al porilor membranei d<2tc+dг.и. (где dг.и. - диаметр гидратированного иона), то через такую мембрану будет проходить только или преимущественно вода, что и обуславливает селективность (полупроницаемость) клеточной мембраны дрожжевой клетки.

Cu toate acestea, dacă membranele artificiale, al căror diametru al porilor nu depășește diametrul unui ion hidratat, sunt caracterizate de o selectivitate de 100%, atunci selectivitatea membranelor biologice nu atinge niciodată 100%, deoarece membranele reale au pori de diferite diametre (Fig. 5), inclusiv cele mari.depășind valoarea de 2tc + dg.i., iar apa legată, deși în cantități foarte mici, are totuși putere de dizolvare.

Figura 5. Schema mecanismului de semipermeabilitate a membranelor biologice

Astfel, rolul cheie în formarea mecanismului de osmoză directă este jucat de structura membranei biologice a celulei de drojdie, a cărei semi-permeabilitate se datorează:

1) prezența apei legate în porii membranei;

2) formarea ionilor hidratați în faza intercelulară - conglomerate mari de ioni ai unei substanțe dizolvate cu molecule de apă.

2.2 Maparat de osmoză directă

O celulă de drojdie localizată într-o suspensie de drojdie este un sistem format din două faze delimitate de peretele celular al celulei de drojdie - o membrană semi-permeabilă.

Atunci când este scufundată într-o suspensie de drojdie a unei componente osmoinductoare, cum ar fi clorura de sodiu, sarea se descompune în multe cristale microscopice.

Microcristalele care poartă atât ioni de sodiu încărcați pozitiv, cât și ioni de clorură încărcați negativ în structura rețelei cristaline încep să experimenteze forțe de interacțiune ion-dipol din moleculele de apă. În procesul unei astfel de interacțiuni, moleculele de apă sunt atrase de ionii de sodiu încărcați pozitiv prin polii lor negativi și de ionii de clorură încărcați negativ de cei pozitivi. Cu toate acestea, dacă ionii atrag moleculele de apă către ei înșiși, atunci moleculele de apă atrag și ionii către ei înșiși. În același timp, moleculele de apă atrase suferă șocuri de la moleculele de apă neatrase care se află în mișcare termică. Aceste șocuri, precum și vibrațiile termice ale ionilor înșiși, sunt suficiente pentru a depăși forțele care rețin ionii de sodiu sau de clor în structura rețelei cristaline a unui singur cristal și pentru a le transfera în soluție.

După primul strat de ioni, următorul strat trece în soluție și astfel are loc dizolvarea treptată a microcristalului. Ionii care au trecut în soluție rămân legați de moleculele de apă și formează ionhidrați, care împiedică foarte mult asocierea inversă a ionilor cu un microcristal. Astfel, din punct de vedere fizic, procesul de dizolvare a sării într-o suspensie de drojdie este de fapt un proces de hidratare a ionilor componentei osmoinductoare, însoțit de disocierea sa ulterioară și formarea în soluție (mediul intercelular al suspensie de drojdie) a multor ioni inconjurati de cochilii de hidratare (ioni hidratati).

Deoarece biomembrana celulei de drojdie este semi-impermeabilă, componentele sistemului luat în considerare nu sunt izolate unele de altele, prin urmare, atunci când sarea este dizolvată în suspensia de drojdie (componenta osmoinductoare este scufundată în mediul intercelular al drojdiei). suspensie), forțele interacțiunii ion-dipol dintre microcristale și moleculele de apă sunt experimentate nu numai de moleculele de apă, situate în spațiul intercelular (faza 1), ci și de moleculele de apă localizate în spațiul intracelular al celulei de drojdie (faza 2). ).

Prin urmare, se poate presupune că mișcarea termică haotică a moleculelor ca urmare a interacțiunii moleculelor de apă și ionilor componentei osmo-inductoare are loc în întregul sistem în direcția unei concentrații mai mari de monocristale (potențial chimic mai mare), adică are loc o redistribuire a umidității din mediul intracelular (faza 1) către mediul intercelular (faza 2).

Deoarece componentele unui sistem cu două faze nu sunt izolate unele de altele, pe baza concluziilor de mai sus și, de asemenea, ținând cont de dorința oricărui sistem de echilibru, ar fi logic să presupunem că mișcarea moleculelor de apă în sistem ar trebui să apară și în direcția opusă, adică de la mediul intercelular la cel intracelular. Cu toate acestea, un astfel de fenomen nu este observat din cauza proprietăților speciale ale structurii membranei celulare și a anumitor forme specifice de legare la umiditate în celula de drojdie, discutate mai sus.

Ionii hidratați formați în timpul interacțiunii ion-dipol a ionilor componentei osmo-inductoare și a moleculelor de apă sunt formațiuni structurale destul de mari și nu mai pot părăsi spațiul intercelular (faza 1). Astfel, putem observa o situație în care numărul de molecule de apă care se deplasează din faza 1 în faza 2 predomină în mare măsură asupra numărului de molecule de apă care se mișcă în sens opus, datorită faptului că unele dintre moleculele de apă localizate în spațiul intercelular nu pot părăsi. ea în compoziția conglomeratului format de ion al componentei osmo-inductoare și apă (ion hidratat).

În același timp, valoarea debitului volumetric din faza 2 în faza 1 predomină în mare măsură asupra valorii debitului volumetric în sens opus și, datorită mobilității diferite a moleculelor de apă și a ionilor hidratați ai componentei osmoinductoare, adică , de fapt, observăm efectul de redistribuire a unei părți a umidității intracelulare în spațiul intercelular (Fig. .6)

O tranziție similară a umidității prin membrana semipermeabilă a celulei de drojdie în spațiul intercelular va continua până când:

a) în spațiul intercelular al suspensiei de drojdie vor exista particule capabile să influențeze procesul de redistribuire, adică până la disocierea completă a componentei osmoinductoare și formarea unui număr maxim posibil de ioni hidratați (în cazul o concentrație scăzută a componentului osmoinductor introdus);

b) moleculele de apă prezente în sistem vor avea suficientă energie și grad de libertate pentru interacțiunea ion-dipol (în cazul unei concentrații mari a componentului osmo-inductor introdus);

c) valoarea potenţialului chimic în faza intercelulară ca urmare a redistribuirii umidităţii nu va atinge indicatorul minim posibil (în cazul redistribuirii complete a umidităţii din spaţiul intracelular în spaţiul intercelular).

Figura 6. Schema redistribuirii umidității intracelulare în spațiul intercelular prin membrana semipermeabilă a unei celule de drojdie atunci când este scufundată într-o suspensie de drojdie a unei componente osmoinductoare

Consecința unei astfel de redistribuiri a umidității este apariția treptată a unui gradient de presiune - presiune osmotică, care duce la deformarea fizică a peretelui celular al celulei de drojdie și compresia acestuia - plasmoliza (Fig. 7).

Figura 7. Schimbarea formei și dimensiunii unei celule de drojdie atunci când este scufundată într-o suspensie de drojdie a unei componente osmoinductoare

Imersarea componentei osmoinductoare direct în suspensia de drojdie face posibilă crearea condițiilor pentru inducerea în sistem a unui număr maxim posibil de particule capabile să influențeze procesul de redistribuire și, în consecință, asigurarea eficienței maxime a procesului osmotic. În același timp, imersarea suspensiei de drojdie în soluția finită a componentei osmo-inductoare dă un efect osmotic minim datorită absenței particulelor în soluția finită care pot influența procesul de redistribuire, adică dacă în prima. În cazul în care procesul de redistribuire a umidității în sistemul biologic se formează datorită efectului combinat al electroosmozei de concentrare și osmozei capilare, apoi în al doilea - numai datorită efectului electroosmozei de concentrare.

Modelul de filtrare capilară considerat al redistribuirii umidității printr-o membrană semipermeabilă reflectă de fapt modelul fizic al fenomenului de osmoză directă și permite să ne imaginăm suficient de detaliat procesele care au loc atât în ​​interiorul, cât și în exteriorul celulei de drojdie în timpul procesului de redistribuire, precum și de a explica. natura fenomenului în sine.

3 . Osmoza inversa

În cazul în care o presiune exterioară care depășește presiunea osmotică acționează asupra unei soluții cu o concentrație mai mare, moleculele de apă vor începe să se deplaseze printr-o membrană semipermeabilă în sens invers, adică de la o soluție mai concentrată la una mai puțin concentrată. Acest proces se numește „osmoză inversă”. Toate membranele de osmoză inversă funcționează pe acest principiu.

În procesul de osmoză inversă, apa și substanțele dizolvate în ea sunt separate la nivel molecular, în timp ce apa aproape perfect pură se acumulează pe o parte a membranei, iar toate impuritățile rămân pe cealaltă parte a acesteia.

Figura 8. Osmoză inversă

Astfel, osmoza inversă asigură un grad de purificare mult mai mare decât majoritatea metodelor tradiționale de filtrare bazate pe filtrarea particulelor mecanice și adsorbția unui număr de substanțe folosind cărbune activ.

În sistemele casnice de osmoză inversă, presiunea apei de intrare pe membrană corespunde presiunii apei din conductă. Dacă presiunea crește, crește și debitul de apă prin membrană.

În practică, membrana nu reține complet substanțele dizolvate în apă. Ele pătrund în membrană, dar în cantități neglijabile. Prin urmare, apa purificată conține încă o cantitate mică de substanțe dizolvate. Este important ca o creștere a presiunii de intrare să nu conducă la o creștere a conținutului de sare din apa după membrană. Dimpotrivă, presiunea mai mare a apei nu numai că mărește performanța membranei, dar îmbunătățește și calitatea curățării. Cu alte cuvinte, cu cât presiunea apei pe membrană este mai mare, cu atât se poate obține mai multă apă pură, de o calitate mai bună.

În procesul de purificare a apei, concentrația de săruri pe partea de admisie crește, din cauza căreia membrana se poate înfunda și poate înceta să funcționeze. Pentru a preveni acest lucru, se creează un flux forțat de apă de-a lungul membranei, spălând „saramura” în canalizare.

Eficacitatea procesului de osmoză inversă în raport cu diverse impurități și substanțe dizolvate depinde de o serie de factori. Presiunea, temperatura, pH-ul, materialul membranei și chimia apei de intrare afectează toate performanța sistemelor de osmoză inversă.

Substantele anorganice sunt foarte bine separate printr-o membrana de osmoza inversa. În funcție de tipul de membrană utilizată (acetat de celuloză sau compozit cu peliculă subțire), gradul de purificare pentru majoritatea elementelor anorganice este de 85%-98%.

Membrana de osmoză inversă elimină și materia organică din apă. Substanțele organice cu o greutate moleculară mai mare de 100-200 sunt complet îndepărtate; iar cu mai puțin, pot pătrunde în membrană în cantități mici. Dimensiunea mare a virușilor și bacteriilor elimină practic posibilitatea pătrunderii lor prin membrană.

În același timp, membrana permite trecerea oxigenului și a altor gaze dizolvate în apă, care îi determină gustul. Drept urmare, ieșirea sistemului de osmoză inversă este apă proaspătă, gustoasă, atât de pură încât, strict vorbind, nici măcar nu necesită fierbere.

Concluzie

Osmoza joacă un rol important în multe procese biologice.

Membrana din jurul unei celule sanguine normale este permeabilă doar la moleculele de apă, oxigen, unele dintre substanțele nutritive dizolvate în sânge și deșeurile celulare; pentru moleculele mari de proteine ​​care sunt în stare dizolvată în interiorul celulei, este impenetrabilă.

Prin urmare, proteinele care sunt atât de importante pentru procesele biologice rămân în interiorul celulei.

Osmoza este implicată în transportul nutrienților în trunchiurile copacilor înalți, unde transportul capilar nu este capabil să îndeplinească această funcție. Osmoza este utilizată pe scară largă în tehnologia de laborator: în determinarea caracteristicilor molare ale polimerilor, concentrarea soluțiilor și studierea diferitelor structuri biologice.

Fenomenele osmotice sunt uneori folosite în industrie, de exemplu, la producerea anumitor materiale polimerice, la purificarea apei foarte mineralizate prin metoda osmozei inverse a lichidelor.

Celulele vegetale folosesc, de asemenea, osmoza pentru a crește volumul vacuolei, astfel încât să extindă pereții celulari (turgor). Celulele vegetale fac acest lucru prin depozitarea zaharozei. Prin creșterea sau scăderea concentrației de zaharoză din citoplasmă, celulele pot regla osmoza. Datorită acestui fapt, elasticitatea plantei în ansamblu crește. Multe mișcări ale plantelor sunt asociate cu modificări ale presiunii turgenței (de exemplu, mișcări ale mustăților de mazăre și ale altor plante cățărătoare). Protozoarele de apă dulce au și o vacuole, dar sarcina vacuolelor de protozoare este doar de a pompa excesul de apă din citoplasmă pentru a menține o concentrație constantă de substanțe solubile în ea. Osmoza joacă, de asemenea, un rol important în ecologia corpurilor de apă.

Bibliografie

1. Dytnersky, Yu.I. Osmoză inversă și ultrafiltrare / Yu. I. Dytnersky - M .: Chemistry, 1978. - 352 p.

2. Latypov, I.A. Investigarea mecanismului proceselor osmotice spontane de transfer de masă în sisteme de origine biologică / I.A. Latypov, M.K. Gerasimov // VestnikKazan. tehn. universitate - 2008. - Nr. 3. - P.85-91

3. Mushtaev, V.I. Uscarea materialelor dispersate / V.I. Mushtaev, V.M. Ulianov - M.: Chimie, 1988. - 351 p.

4. Williams, V. Chimie fizică pentru biologi / V. Williams, H. Williams. - M.: Mir, 1976. - 600 p.

5. Churaev, N.V. Fizicochimia proceselor de transfer de masă în corpuri poroase / N.V. Churaev - M.: Chimie, 1990. - 271 p.

Găzduit pe Allbest.ru

Documente similare

Principiul echilibrului detaliat. Determinismul mecanicii clasice. Mișcarea browniană a moleculelor. Integrarea ecuației Langevin. Coeficientul de difuzie a membranei. Orientarea moleculelor pe părțile opuse ale membranei. Model de osmoză cu cristale lichide.

articol, adăugat 23.06.2012


Transportul pasiv și activ al substanțelor prin structuri membranare. Transportul neelectroliților prin difuzie simplă și facilitată. Transferul pasiv al non-electroliților prin biomembrane, ecuația lui Rick. Mecanismul molecular de transport activ al ionilor.

lucrare de termen, adăugată 25.02.2011


Istoria descoperirii fenomenului fizic de difuzie. Determinarea experimentală a constantelor Boltzmann și Avogadro. Regularități ale mișcării browniene. Schema de difuzie printr-o membrană semipermeabilă. Aplicarea fenomenului fizic de difuzie în viața umană.

rezumat, adăugat 21.05.2012


Determinarea densității de flux a formamidei prin membrana plasmatică a Chara ceratophylla grosime de 8 nm. Calculul coeficientului de permeabilitate al membranei plasmatice Mycoplasma pentru formamidă. Ecuația lui Fick pentru difuzie. Calculul potențialului Nernst pentru ioni.

test, adaugat 01.09.2015


Natura ionică a potențialelor de membrană. Potențial de odihnă, ecuația Nernst. Potenţial staţionar Goldman-Hodgkin. Ecuația electrodifuziei ionilor prin membrană în aproximarea câmpului uniform. Mecanismul de generare și propagare a potențialului de acțiune.

rezumat, adăugat 16.12.2015


O ramură a fizicii la temperaturi joase care studiază modelele de modificări ale proprietăților substanțelor la temperaturi criogenice. Corpul de lucru în sistemele criogenice. Recuperarea funcțiilor biologice după dezghețare. Temperatura de condensare a gazelor naturale.

prezentare, adaugat 08.10.2013


Determinarea puterii calorice a combustibilului, a volumelor de produse de ardere. Determinarea coeficientului de transfer de căldură în schimbătorul de căldură. Ecuația de echilibru termic pentru un schimbător de căldură de contact. Selectarea si calculul arzatoarelor pe gaz in sistemele de alimentare cu gaz si caldura.

lucrare de termen, adăugată 04.07.2015


Microscop tunel de scanare, aplicație. Principiul de funcționare al microscopului de forță atomică. Studiul obiectelor biologice - macromolecule (inclusiv molecule de ADN), viruși și alte structuri biologice prin microscopie cu forță atomică.

lucrare de termen, adăugată 28.04.2014


Calculul profilului de difuzie al antimoniului în siliciu, determinarea parametrilor principali ai acestui proces. Folosind modelul fenomenologic al difuziei. Influența parametrilor asupra adâncimii apariției impurităților. Rezolvarea numerică a ecuației de difuzie folosind o schemă de diferențe implicite.

lucrare de termen, adăugată 28.08.2010


Descrierea configurației experimentale, principiul de măsurare a presiunii aerului și determinarea valorii optime a acesteia. Întocmirea unui jurnal de observații și analiza datelor obținute. Calculul presiunii barometrice prin metoda analitica si grafica.

TEHNOLOGIE ȘI ECHIPAMENTE PENTRU PRODUCȚIA DE ALIMENTE

UDC 66.021.3:577.352.4:577.356

I. A. Latypov, M. K. Gerasimov INVESTIGAREA MECANISMULUI PROCESELOR DE TRANSFER SPONTAN OSMOTIC DE MASĂ ÎN SISTEME DE ORIGINE BIOLOGICĂ

Sunt luați în considerare principalii factori de formare a mecanismului proceselor osmotice spontane de transfer de masă în sisteme de origine biologică și este prezentat un model fizic de osmoză directă.

Studiul mecanismului proceselor membranare este dedicat multor studii, au fost publicate un număr mare de articole și monografii. Cu toate acestea, de regulă, rezultatele cercetărilor publicate vizează în principal studierea proceselor de osmoză inversă în sistemele cu membrane artificiale semipermeabile. În același timp, s-a acordat mult mai puțină atenție studiului proceselor osmotice spontane de transfer de masă în sisteme de origine naturală, iar baza de cunoștințe existente despre aceste procese este extrem de fragmentată și are adesea natura informațiilor din știința fundamentală. De aceea, generalizarea, analiza și sistematizarea acestor informații sunt extrem de importante atât pentru înțelegerea generală a proceselor osmotice spontane care apar în sistemele cu membrane naturale semipermeabile, cât și pentru aplicarea setului de informații rezultat în practică.

Să luăm în considerare mecanismul procesului osmotic spontan de transfer de masă, așa-numitul fenomen de osmoză directă, în sistemele cu membrane naturale, alegând ca obiect de studiu o celulă de drojdie localizată într-o suspensie de drojdie, acordând totodată o atenție deosebită factorilor care aduc cea mai mare contribuție la formarea procesului: forme de legare la umiditate în sistemul și structura membranei celulare semipermeabile.

INVESTIGAREA FORMELOR DE LEAGĂ LA Umiditate ÎN CELULA DE Drojdii LOCALIZATĂ ÎN SUSPENSIUNEA DE Drojdii

Formele de legare la umiditate în acest sistem joacă un rol esențial în formarea mecanismului de osmoză directă și determină de fapt semipermeabilitatea membranei celulare.

Vom lua în considerare clasificarea formelor de legături de umiditate ale unui sistem similar în două faze separate de o membrană biologică din punctul de vedere al clasificării formelor de legături de umiditate propusă de P. A. Rebinder, ceea ce ne permite să luăm în considerare atât natura formarea diferitelor forme de legătură și energia legăturii lor cu materialele.

În conformitate cu punctul de vedere al acestei clasificări, umiditatea localizată în interiorul celulei de drojdie trebuie considerată umiditate reținută osmotic,

cauzate de difuzia selectivă a apei din mediu. Umiditatea reținută osmotic se caracterizează printr-o energie de legare de intensitate scăzută, nu diferă în proprietățile sale de apa obișnuită și are capacitatea de a difuza liber prin membranele celulare sub influența unei diferențe de concentrații în interiorul și exteriorul celulelor.

Categoria umidității intracelulare poate include și umiditatea imobilizată în capilarele peretelui celular al unei celule de drojdie - umiditatea capilară, care joacă un rol semnificativ în mecanismul de redistribuire a umidității și determină de fapt semipermeabilitatea biomembranei.

Astfel, se știe din analiza literaturii științifice că umiditatea localizată în capilarele cu diametrul mai mare de 10-7 m (umiditatea macrocapilarelor) nu are legătură cu materialul și se poate mișca liber în procesul de difuzie.

La rândul său, umiditatea localizată în capilare cu diametrul mai mic de 10-7 m (umiditate microcapilară) și datorită legăturii de adsorbție a stratului polimolecular din apropierea pereților capilarului nu este liberă. O astfel de umiditate nu participă la procesele de difuzie datorită proprietăților speciale caracteristice umidității legate.

De regulă, umiditatea legată de adsorbție imobilizată pe suprafața unei biomembrane sub forma unui strat monomolecular de suprafață de apă adsorbită (înveliș hidratat) nu participă, de asemenea, la procesele de redistribuire a umidității din cauza valorilor ridicate ale legăturii. energia moleculelor de apă cu suprafața biomembranei. Straturile ulterioare ale lichidului legat de adsorbție (adsorbția polimoleculară) sunt ținute mai puțin ferm și pot fi implicate în procesele de difuzie.

Umiditatea legată chimic nu joacă un rol semnificativ în formarea mecanismului de redistribuire a umidității, deoarece cantitatea sa este nesemnificativă, iar legăturile de natură ionică și moleculară sunt foarte puternice.

Astfel, umiditatea reținută osmotic, umiditatea macrocapilară și excesul de umiditate extracelular liber localizat în spațiul intercelular al biomasei de drojdie sunt implicate în formarea mecanismului de osmoză directă - redistribuirea umidității în biomembrana celulei de drojdie (Fig. 1). ).

Orez. 1 - Se formează legături de umiditate într-o celulă de drojdie localizată într-o suspensie de drojdie: 0 - umiditate legată chimic; 1 - umiditate reținută osmotic (umiditate intracelulară liberă); 2 - umiditatea liberă a capilarelor (umiditatea macrocapilarelor); 3 - umiditatea legată a capilarelor (umiditatea microcapilarelor); 4 - umiditate legată de adsorbție; 5 - umiditate extracelulară liberă (umiditate intercelulară în exces)

STUDIUL STRUCTURII UNEI MEMBRANE BIOLOGICE

Structura membranei celulare semi-permeabile a unei celule de drojdie, care este un corp capilar-poros, joacă un rol cheie în formarea mecanismului de osmoză directă - un proces spontan determinat osmotic de redistribuire a umidității din mediul intracelular al unui celula de drojdie în spațiul intercelular atunci când o componentă osmoinductoare (de obicei un electrolit) este introdusă în suspensia de drojdie.

Astfel, un rol semnificativ în formarea mecanismului de redistribuire îl joacă sistemul de pori (capilare) al peretelui celular al membranei biologice, care este semipermeabil, adică scăzut selectiv pentru moleculele de apă și foarte selectiv pentru ionii hidratați. a componentei osmoinductoare.

Pe baza ideilor despre structura soluțiilor și a rezultatelor experimentelor, se poate susține că capacitatea de hidratare a ionilor afectează selectivitatea și permeabilitatea membranelor.

Fenomenul de hidratare constă în faptul că ionii substanței dizolvate sunt înconjurați de un solvent și se mișcă cu o parte a acestuia care interacționează cu acesta. În acest caz, se poate observa atât hidratarea primară, cât și cea secundară. Hidratarea primară constă în legarea puternică a ionilor moleculei de apă, până la formarea legăturilor donor-acceptor. Secundar - este o interacțiune electrostatică a moleculelor de apă cu ionii primari hidratați.

Moleculele de apă situate în imediata apropiere a ionilor substanțelor dizolvate formează un înveliș de hidratare, numărul de molecule în care se caracterizează numărul de coordonare de hidratare.

Interacțiunea electrostatică nu este singura cauză a hidratării - aceasta din urmă se poate datora și forțelor chimice.

Luând în considerare cele de mai sus și pe baza ideilor moderne despre lichidul legat, procesul de permeabilitate selectivă a membranei celulei de drojdie în raport cu soluțiile apoase de electroliți poate fi reprezentat după cum urmează.

Un strat de apă legată apare la suprafața și în interiorul porilor (capilarelor) membranei celulare a unei celule de drojdie localizată într-o suspensie de drojdie. Apa de la interfața membrană-soluție diferă prin proprietăți de apa în stare liberă. De exemplu, apa legată își pierde în mare măsură capacitatea de dizolvare, astfel încât prezența apei legate în porii membranei celulare a unei celule de drojdie este una dintre principalele cauze de obstrucție pentru acele molecule de solut pentru care apa legată practic nu este un solvent. Dacă diametrul b al porilor membranei b<2^+бги. (где бги. - диаметр гидратированного иона), то через такую мембрану будет проходить только или преимущественно вода, что и обуславливает селективность (полупроницаемость) клеточной мембраны дрожжевой клетки.

Cu toate acestea, dacă membranele artificiale, al căror diametru al porilor nu depășește diametrul unui ion hidratat, sunt caracterizate de o selectivitate de 100%, atunci selectivitatea membranelor biologice nu atinge niciodată 100%, deoarece membranele reale au pori de diferite diametre (Fig. 2), inclusiv cele mari.depășind valoarea de 2 ^ + br, iar apa legată, deși în cantități foarte mici, are totuși putere de dizolvare.

Mediul intercelular Faza 1

Mediul intracelular Faza 2

Orez. 2 - Schema mecanismului de semipermeabilitate a membranelor biologice

Astfel, rolul cheie în formarea mecanismului de osmoză directă este jucat de structura membranei biologice a celulei de drojdie, a cărei semi-permeabilitate se datorează:

1) prezența apei legate în porii membranei;

2) formarea ionilor hidratați în faza intercelulară - conglomerate mari de ioni ai unei substanțe dizolvate cu molecule de apă.

STUDIUL MECANISMULUI OSMOZEI DIRECTE

O celulă de drojdie localizată într-o suspensie de drojdie este un sistem format din două faze delimitate de peretele celular al celulei de drojdie, o membrană semi-permeabilă.

Atunci când este scufundată într-o suspensie de drojdie a unei componente osmoinductoare, cum ar fi clorura de sodiu, sarea se descompune în multe cristale microscopice.

Microcristalele care poartă atât ioni de sodiu încărcați pozitiv, cât și ioni de clorură încărcați negativ în structura rețelei cristaline încep să experimenteze forțe de interacțiune ion-dipol din moleculele de apă. În procesul unei astfel de interacțiuni, moleculele de apă sunt atrase de ionii de sodiu încărcați pozitiv prin polii lor negativi și de ionii de clorură încărcați negativ de cei pozitivi. Cu toate acestea, dacă ionii atrag moleculele de apă către ei înșiși, atunci moleculele de apă atrag și ionii către ei înșiși. În același timp, moleculele de apă atrase suferă șocuri de la moleculele de apă neatrase care se află în mișcare termică. Aceste șocuri, precum și vibrațiile termice ale ionilor înșiși, sunt suficiente pentru a depăși forțele care rețin ionii de sodiu sau de clor în structura rețelei cristaline a unui singur cristal și pentru a le transfera în soluție.

După primul strat de ioni, următorul strat trece în soluție și astfel are loc dizolvarea treptată a microcristalului. Ionii care au trecut în soluție rămân legați de moleculele de apă și formează ionhidrați, care împiedică foarte mult asocierea inversă a ionilor cu un microcristal. Astfel, din punct de vedere fizic, procesul de dizolvare a sării într-o suspensie de drojdie este de fapt a

procesul de hidratare a ionilor componentei osmo-inductoare, însoțit de disocierea sa ulterioară și formarea în soluție (mediul intercelular al suspensiei de drojdie) a multor ioni înconjurați de cochilii de hidratare (ioni hidratați).

Deoarece biomembrana celulei de drojdie este semi-impermeabilă, componentele sistemului luat în considerare nu sunt izolate unele de altele, prin urmare, atunci când sarea este dizolvată în suspensia de drojdie (componenta osmoinductoare este scufundată în mediul intercelular al drojdiei). suspensie), forțele interacțiunii ion-dipol dintre microcristale și moleculele de apă sunt experimentate nu numai de moleculele de apă, situate în spațiul intercelular (faza 1), ci și de moleculele de apă localizate în spațiul intracelular al celulei de drojdie (faza 2). ). Prin urmare, se poate presupune că mișcarea termică haotică a moleculelor ca urmare a interacțiunii moleculelor de apă și ionilor componentei osmo-inductoare are loc în întregul sistem în direcția unei concentrații mai mari de monocristale (potențial chimic mai mare), adică are loc o redistribuire a umidității din mediul intracelular (faza 1) către mediul intercelular (faza 2).

Deoarece componentele unui sistem cu două faze nu sunt izolate unele de altele, pe baza concluziilor de mai sus și, de asemenea, ținând cont de dorința oricărui sistem de echilibru, ar fi logic să presupunem că mișcarea moleculelor de apă în sistem ar trebui să apară și în direcția opusă, adică de la mediul intercelular la cel intracelular. Cu toate acestea, un astfel de fenomen nu este observat din cauza proprietăților speciale ale structurii membranei celulare și a anumitor forme specifice de legare la umiditate în celula de drojdie, discutate mai sus.

Ionii hidratați formați în timpul interacțiunii ion-dipol a ionilor componentei osmo-inductoare și a moleculelor de apă sunt formațiuni structurale destul de mari și nu mai pot părăsi spațiul intercelular (faza 1). Astfel, putem observa o situație în care numărul de molecule de apă care se deplasează din faza 1 în faza 2 predomină în mare măsură asupra numărului de molecule de apă care se mișcă în sens opus, datorită faptului că unele dintre moleculele de apă localizate în spațiul intercelular nu pot părăsi. ea în compoziția conglomeratului format de ion al componentei osmo-inductoare și apă (ion hidratat).

În același timp, valoarea debitului volumetric din faza 2 în faza 1 prevalează în mare măsură asupra valorii debitului volumetric în sens opus și datorită mobilității diferite a moleculelor de apă și a ionilor hidratați ai componentei osmoinductoare, adică în de fapt, observăm efectul redistribuirii unei părți a umidității intracelulare în spațiul intercelular (Fig. .3)

O tranziție similară a umidității prin membrana semipermeabilă a celulei de drojdie în spațiul intercelular va continua până când:

a) în spațiul intercelular al suspensiei de drojdie vor exista particule capabile să influențeze procesul de redistribuire, adică până la disocierea completă a componentei osmoinductoare și formarea unui număr maxim posibil de ioni hidratați (în cazul o concentrație scăzută a componentului osmoinductor introdus);

b) moleculele de apă prezente în sistem vor avea suficientă energie și grad de libertate pentru interacțiunea ion-dipol (în cazul unei concentrații mari a componentului osmo-inductor introdus);

c) valoarea potenţialului chimic în faza intercelulară ca urmare a redistribuirii umidităţii nu va atinge indicatorul minim posibil (în cazul redistribuirii complete a umidităţii din spaţiul intracelular în spaţiul intercelular).

Orez. 3 - Schema redistribuirii umidității intracelulare în spațiul intercelular prin membrana semipermeabilă a unei celule de drojdie atunci când este scufundată într-o suspensie de drojdie a unei componente osmoinductoare

Consecința unei astfel de redistribuiri a umidității este apariția treptată a unui gradient de presiune - presiune osmotică, care duce la deformarea fizică a peretelui celular al celulei de drojdie și compresia acestuia - plasmoliza (Fig. 4).

Orez. 4 - Modificarea formei și dimensiunii unei celule de drojdie atunci când este scufundată într-o suspensie de drojdie a unei componente osmoinductoare

Imersarea componentei osmo-inductoare direct în suspensia de drojdie face posibilă crearea condițiilor pentru inducerea în sistem a unui număr maxim posibil de particule capabile să influențeze procesul de redistribuire și, în consecință,

dar, pentru a asigura eficienta maxima a procesului osmotic. În același timp, imersarea suspensiei de drojdie în soluția finită a componentei osmo-inductoare dă un efect osmotic minim datorită absenței particulelor în soluția finită care pot influența procesul de redistribuire, adică dacă în prima. În cazul în care procesul de redistribuire a umidității în sistemul biologic se formează datorită efectului combinat al electroosmozei de concentrare și osmozei capilare, apoi în al doilea - numai datorită efectului electroosmozei de concentrare.

Modelul de filtrare capilară considerat al redistribuirii umidității printr-o membrană semipermeabilă reflectă de fapt modelul fizic al fenomenului de osmoză directă și permite să ne imaginăm suficient de detaliat procesele care au loc atât în ​​interiorul, cât și în exteriorul celulei de drojdie în timpul procesului de redistribuire, precum și de a explica. natura fenomenului în sine.

Modelul fizic prezentat de osmoză directă poate fi reprezentat într-un model matematic cu o adecvare suficient de mare și face posibilă atingerea unui grad ridicat de eficiență în reglarea proceselor osmotice de transfer de masă în sistemele biologice la scară industrială.

Literatură

1. Mushtaev, V.I. Uscarea materialelor dispersate / V.I. Mushtaev, V.M. Ulianov - M.: Chimie, 1988. - 351 p.

2. Dytnersky, Yu.I. Osmoză inversă și ultrafiltrare / Yu. I. Dytnersky - M .: Chemistry, 1978.- 352 p.

3. Churaev, N.V. Fizicochimia proceselor de transfer de masă în corpuri poroase / N.V. Churaev - M.: Chimie, 1990. - 271 p.

© I. A. Latypov - Ph.D. cafenea echipamente de producție alimentară ale KSTU; M. K. Gerasimov - Doctor în Inginerie. științe, prof. acelasi departament.