Проникність клітин. Осмотичні властивості клітин

Для своєї життєдіяльності клітини потребують безперервного припливу поживних речовин із навколишнього середовища. Проникність клітини характеризується швидкістю проходження речовин через клітинну поверхню

Рослинні і тваринні клітини у своєму складі містять багато води. У тваринних клітинах її близько 80%, а у деяких рослинних клітинах, які мають велику центральну вакуолю – до 95%.

У розчинах деяких речовин рослинні клітини, які мають центральну вакуолю, поводять себе як осмометри: їх об’єм (V) змінюється пропорційно зміні осмотичного тиску середовища (Р) або VP= const. Це пояснюється тим, що вміст клітини відокремлений від зовнішнього водного розчину напівпроникною мембраною, легко проникною для молекул води і важко, або зовсім не проникною для молекул розчинених у ній речовин. Цим і визначаються осмотичні властивості клітини.

Осмос – це однобічна дифузія розчинника через напівпроникну перегородку (мембрану). Осмос обумовлений прагненню системи до термодинамічної рівноваги і вирівнюванню концентрації розчину по обидва боки мембрани. Процес дифузії молекул розчинника під час осмосу відбувається у двох напрямках – із розчину з меншою концентрацією розчиненої речовини (або чистого розчинника) і розчину з більшою концентрацією розчиненої речовини. Але у розчині з більшою концентрацією розчиненої речовини кількість молекул розчинника в одиниці об’єму менше, тобто кількість розчинника, який проходить за одиницю часу через мембрану у бік такого розчина більша, ніж у бік розчину з меншою концентрацією. Різниця цих двох дифузійних потоків і обумовлює потік розчинника до розчину. Осмос продовжується до тих пір, поки концентрація розчиненої речовини по обидва боки мембрани не стане однаковою.

Якщо рослинні клітини покласти в розчини речовин, осмотичний тиск яких вищий від осмотичного тиску вмісту клітини (гіпертонічні розчини), при умові, що молекули розчиненої речовини не проникають у клітину, то клітини будуть втрачати воду доти, поки осмотичний тиск усередині клітини не вирівняється з зовнішнім осмотичним тиском. Причому протопласт відокремлюється від целюлозної оболонки, зменшуючись в об’ємі (плазмоліз). Цей процес називається екзосмосом.

Якщо молекули розчиненої речовини проникають у клітину, але з меншою швидкістю, ніж молекули води, то спочатку відбудеться плазмоліз, але в міру проникання молекул із зовнішнього розчину в клітину об’єм протопласта збільшуватиметься і з часом досягне вихідної величини (деплазмоліз). Осмотичний тиск усередині клітини й зовнішньому середовищі буде однаковий. Якщо молекули зовнішнього розчину проникають крізь клітинну мембрану з такою самою швидкістю, як і молекули води, то об’єм протопласта змінюватися не буде і плазмоліз не відбудеться.

Якщо клітини покласти в розчини речовин, осмотичний тиск яких нижчий від осмотичного тиску вмісту клітини (гіпотонічні розчини), то відбувається зворотній процес, який називається ендоосмосом, тобто осмос проходить усередину клітини. При цьому клітина розбухає, або, при великій різниці концентрацій, відбувається руйнація мембрани і вміст клітини виходить назовні. Якщо клітини представлені еритроцитами спостерігається явище гемолізу, тобто гемоглобін виходить до розчину.

Якщо клітини покласти в розчини речовин, осмотичний тиск яких дорівнює осмотичному тиску вмісту клітини (ізотонічні розчини), то ніяких змін не відбувається. Найпростішим ізотонічним, або фізіологічним розчином є 0,89% розчин NaCl.

1.3. Буферні розчини. Буферна ємкість біологічних рідин

Буферні розчини підтримують сталість рН середовища незалежно від розведення або додавання невеличких кількостей кислоти або лугу, оскільки його рН залежить лише від співвідношення концентрації солі та кислоти і не залежить від ступеня розбавлення.

Буферними називаються розчини слабкої кислоти та її солі із сильною основою або слабкою основою і його солі із сильною кислотою. Наприклад, оцтовий буфер - оцтова кислота + оцтовокислий натрій.

Буферні системи можуть бути чотирьох типів:

1. Слабка кислота та її аніон А- /НА:

Ацетатна буферна система СН₃СОО^-/СН₃СООН у розчині СН₃СООNa і СН₃СООН, область дії рН 3, 8 – 5, 8.

Водень-карбонатна система НСО₃^-/Н₂СО₃ у розчині NaНСО₃ и Н₂СО₃, область дії – рН 5, 4 – 7, 4.

2. Слабка основа та її катіон В/ВН+:

Аміачна буферна система NH₃/NH₄⁺ у розчині NH₃ та NH₄Cl, область її дії - рН 8, 2 – 10, 2

3. Аніони кислої та середньої солі або двох кислот та їх солей

Карбонатна буферна система СО₃^- /НСО₃^- у розчині Na₂CO₃ і NaHCO₃, область її дії - рН 9, 3 – 11, 3.

Фосфатна буферна система НРО₄^-/Н₂РО₄^- у розчині Nа₂НРО₄ і NаН₂РО₄, область її дії - рН 6, 2 – 8, 2.

Ці сольові буферні системи можна віднести також і до першого типу, тому що одна із солей цих буферних систем виконує функцію слабкої кислоти. Так, у фосфатній буферній системі аніон Н₂РО₄^- є слабкою кислотою.

4. Іони і молекули амфолітів. До них відносять амінокислотні і білкові буферні системи. Якщо амінокислоти або білки знаходяться в ізоелектричному стані (сумарний заряд молекули дорівнює нулю), то розчини цих з'єднань не є буферними. Вони починають проявляти буферну дію, коли до них додають деяку кількість кислоти або лугу. Тоді частина білка (амінокислоти) переходить з ІЕС у форму “білок-кислота” або відповідно у форму “білок-основа”. При цьому утворюється суміш двох форм білка.

Для буферних розчинів характерні деякі властивості:

1. Буферність – властивість зберігати постійність концентрації іонів Н⁺ при додаванні у буферний розчин відзначеної кількості сильної кислоти або сильної основи. Наприклад, якщо до ацетатного буфера додати невелику кількість HCl, зрушення рН у кислий бік не відбудеться, тому що HCl вступила до реакції обмінного розкладання із сіллю слабкої кислоти:

CH₃COONa+HCl→NaCl+CH₃COOH

У результаті реакції сильна кислота, яка здатна зрушити рН у кислий бік, замінюється на слабку кислоту і нейтральну сіль.

Водневий показник буферної системи незначно змінюється при додаванні до розчину невеликої кількості лугу, тому що луг при реакції зі слабкою кислотою нейтралізується:

CH₃COOH+ NaОН→ CH₃COONa+Н₂О

Луг, який здатен здвинути рН середовища в основний бік, замінюється еквівалентною кількістю слабо основної солі, яка впливає на реакцію середовища у значно меншому ступені, ніж NaОН. У результаті цієї реакції оцтова кислота витрачається, але значного зниження вмісту іонів Н⁺ не відбувається, тому що за рахунок потенційної кислотності утворюються нові іони Н⁺ і CH₃COO^-, і активна кислотність суміші (рН) майже не змінюється.

2. Здатність буферних розчинів зберігати постійність концентрації іонів Н⁺ при розведенні.

Константа електролітичної дисоціації розчинів електролітів К при визначених умовах є величиною постійною. рН буферного розчину залежить від кількісного співіввідношення концентрацій солей або основ та їх солей. Тобто при розведенні розчину змінюється концентрація кислоти та солі, або основи та солі, але їх співвідношення залишаються незмінними. Розведення буферних розчинів у 10-20 разів майже не відбивається на значенні рН і тільки дещо підвищується після сотого знаку.

3. Буферна ємкість. Межа, в якій проявляється буферна дія, називається буферною ємкістю. Буферну ємкість виражають кількістю речовини еквівалента сильної кислоти або основи, яке слід добавити до 1 м³ буферного розчину, щоб змістити рН на одиницю:

, де

В - буферна ємкість;

С – кількість сильної кислоти або основи, кмоль;

рН₀ – водневий показник до додавання сильної кислоти або основи;

рН₁ – після додавання кислоти або лугу.

Буферна ємкість розчинів залежить від їхньої абсолютної концентрації і з розведенням зменшується прямо пропорційно ступеня розведення.

У живих організмах буферні системи підтримують постійність рН у крові та тканинах. У процесі обміну в живому організмі утворюються великі кількості кислих продуктів. Підтримка постійності реакції всередині організму забезпечується наявністю в ньому сильних буферних систем. Особливо важливу роль відіграє білковий, бікарбонатний та фосфатний буфери.

У колоїдно-лисперсійному стані в молоці знаходиться сироваткові білки, казеїн, більша частина фосфатів та кальцію. Кислота знижує (-) заряд казеїнових міцел, тому що Н^- іони подавляють дисоціацію карбоксильних груп Н₃РО₄, при цьому групи СОО^- переходять у СООН, а РО₃^2- у РО₃Н₂. у результаті досягається рівняння (+) та (-) зарядів при рН=4,6…4,7.

У молоці наявні декілька буферних систем (білковий, фосфатний, цитратний). Вони забезпечують постійність рН молока. Білковий буфер складається з білків молока (казеїну) і натрієвих або калієвих солей, які можуть вступати до реакцій як з кислотами так із лугами, таким чином нейтралізуючи їх. У випадку додавання або накопичення у молоці кислоти, іони Н₂ кислоти зв’язуються із сіллю казеїну, при цьому утворюється вільний білок, який має властивості слабкої кислоти.

NH₃ NH₃

/ /

R +HCl → R +NCl

\ \

COONa COOH

Дисоціація СООН слабка, рН молока змінюється незначно.

Так само діє і фосфатний буфер

Na₂HPO₄ + HCl = Na₂H₂PO₄ + NaCl