ven_v_reanimacii

ЧАСТЬ I. Законы природы и единицы измерения

I.9 Осмос

Осмос (от греч. ὄσμος «толчок, давление») – процесс односторонней диффузии через полупроницаемую мембрану молекул растворителя в сторону большей концентрации растворенного вещества.

Если читать быстро, то «односторонняя диффузия в сторону большей концентрации растворенного вещества» может обескуражить. Но если про-

читать внимательно мы увидим, что осмос – это диффузия растворителя через полупроницаемую мембрану. В нашем случае растворитель – это вода. Чуть выше мы вспомнили понятиеконцентрация воды в растворе. Чем насыщеннее раствор, тем ниже концентрация воды в нём. И наоборот, чем меньше растворенных веществ, тем выше концентрация воды.

Представим себе мембрану, проницаемую только для воды. По разные стороны мембраны находятся растворы разных концентраций (например, глюкозы). Вода будет перемещаться через мембрану из жидкого раствора в концентрированный. Это произойдет потому, что концентрация воды в жидком (слабом) растворе выше, чем в густом (концентрированном). Никаких нарушений законов природы здесь нет, – вещество (вода) из зоны высокой концентрации распространяется в зону низкой концентрации. Для того, чтобы мог существовать осмос, необходима мембрана, проницаемая для растворителя и непроницаемая для растворенного вещества.

Для того, чтобы мог существовать осмос, необходима мембрана, проницаемая для воды и непроницаемая для растворенного вещества.

Перенос растворителя через мембрану обусловлен осмотическим давлением. Осмотическое давление равно избыточному внешнему давлению, которое следует приложить со стороны раствора, чтобы прекратить процесс, то есть создать условия осмотического равновесия. Превышение избыточного давления над осмотическим может привести к обращению осмоса – обратной диффузии растворителя.

Осмотическое давление или, как остановить осмос?

Осмос и осмотическое давление используются всеми живыми организмами. Наиболее впечатляющих результатов добились американские секвойи (они превзошли эвкалипты и баобабы). Эти великанские деревья, используя осмос, поднимают воду на высоту до ста метров.

Прежде чем говорить о давлении вспомним: Давление – это сила, приложенная к единице площади. Возьмём цилиндр, имеющий в качестве дна полупроницаемую мембрану. Эта мембрана пропускает воду, но не пропускает молекулы глюкозы. Заполним цилиндр с полупроницаемым дном раствором глюкозы и быстро погрузим цилиндр в ёмкость с дистиллированной водой, так чтобы уровни в обоих сосудах совпадали. Уровень раствора в цилиндре станет

повышаться. Начнётся осмос. Через некоторое время в цилиндре установится новый уровень раствора. Если установить вес столба жидкости, находящейся в цилиндре выше уровня воды в основном резервуаре и разделить на площадь сечения цилиндра, мы узнаем величину осмотического давления, создаваемого данным раствором. Если в цилиндр вставить плотный поршень и приложить к нему силу, равную весу столба жидкости, находящейся в цилиндре выше уровня воды в основном резервуаре, мы восстановим status quo (условия начала эксперимента). Получим исходные количества дистиллированной воды и раствора глюкозы исходной концентрации. Если, конечно мембрана не лопнет.



b

1)Цилиндр с полупроницаемым дном, заполненный раствором глюкозы, и ёмкость с дистиллированной водой;

2)Цилиндр, заполненный раствором глюкозы, погружён в ёмкость с дистиллированной водой, начался осмос;

3)Осмос остановился, осмотическое давление равно весу поднятого раствора, деленному на площадь сечения цилиндра;

4)Эквивалент веса раствора, поднятого осмотическим давлением;

5)Цилиндр с поршнем, на который действует груз;



ЧАСТЬ I. Законы природы и единицы измерения

6)Груз действует на поршень в цилиндре, уравновешивая осмотическое давление, вода выходит в резервуар, глюкоза остаётся в цилиндре. Это физическое явление называют «обратный осмос» или «фильтрация»;

7)Наступило равновесие, восстановлено исходное состояние. Давление на поршень равно осмотическому давлению, осмос остановлен.

Осмотическое давление (обозначается π) – избыточное гидростатическоедавлениенараствор,отделённыйотчистогорастворителяполупроницаемой мембраной, при котором прекращается диффузия растворителя через мембрану. Это давление стремится уравнять концентрации обоих растворов вследствие встречной диффузии молекул растворённого вещества и растворителя.

Давление измеряют в разных единицах, но все эти единицы измерения, в конечном счёте, получаются из отношения силы к площади, на которую эта сила действует. Например 1паскаль(1Па) – это ньютон на квадратный метр, 1бар – это 1×106 дин/см2 или 1Па×10-5, одна атмосфера равна одному бару или 760mmHg. ст., а один сантиметр водного столба равен одному миллибару и так далее.

Закон Ван-Гоффа

Для того, чтобы узнать, какое осмотическое давление (π) возникнет при использовании определенного раствора определенной концентрации, пользуются справочными таблицами или рассчитывают по формуле:

π=i×C×R×T

где i – изотонический коэффициент раствора; C – молярная концентрация раствора, выраженная через комбинацию основных единиц СИ, то есть, в моль/м3, а не в привычных моль/л; R – универсальная газовая постоянная; T – термодинамическая температура раствора.

Врезультате этих расчётов получаются весьма внушительные цифры Осмотическое давление жидкостей в организме составляет ≈ 7,7 атм. Если бы такое давление было приложено к мембранам клеток и стенкам капилляров с однойсторонывсёбыразорвалось.Ксчастьювбольшинствеситуацийдавление по обе стороны мембран организма одинаковое.

Вусловиях живого организма температура по обе стороны мембран одинакова, R – это константа, меняются только C – молярная концентрация, и i – изотонический коэффициент раствора, поскольку растворы состоят из разных

веществ. То есть в условиях живого организма по разные стороны мембран меняетсятолькоэтачастьформулы,(i × C)описывающейосмотическоедавление. Произведение молярной концентрации на изотонический коэффициент раствора – это показатель осмотической концентрации.

ЧАСТЬ I. Законы природы и единицы измерения

I.10 Осмотическая концентрация или отчего зависит осмотическое давление?

Осмотическая концентрация – это суммарная концентрация всех растворённых частиц.

В том случае, если изотонический коэффициент раствора равен 1(i = 1), осмотическая концентрация равна молярной концентрации. Это означает, что при растворении молекулы данного вещества не распадаются на ионы. Так растворяются сахара́, например глюкоза. Если взять один моль (грамм-молекулу) глюкозы, в нём будет 6,02214179(30)×1023 молекул (число Авогадро NA). После полного растворения моля глюкозы в дистиллированной воде в растворе будет находиться такое же количество (NA) осмотически активных частиц.

В том случае, если при растворении каждая молекула распадается на дваиона,какэтопроисходитприрастворенииповареннойсоли(NaCl→Na+ + Cl-), изотонический коэффициент раствора равен 2 (i = 2).

А если растворять хлористый кальций, то из каждой молекулы сухого вещества получится три иона (CaCl2 → Ca+2 + Cl- + Cl-), поэтому изотонический коэффициент раствора хлористого кальция равен 3 (i = 3).



Какой смысл в этих знаниях для понимания осмоса?

Осмос и осмотическое давление зависят от количества осмотически активных частиц в растворе. Вне зависимости ион это или недиссоциированная молекула. Более того, размер молекулы не имеет значения, важно только количество. Осмос зависит от кинетической энергии растворённых молекул или от температуры раствора (это, в сущности, одно и то же). Температура вещества определяется кинетической энергией молекул, его образующих (E = mv2/2). Энергия (E) у всех молекул в растворе одинаковая, просто, если масса (m) большая, то скорость (v) маленькая, а если масса маленькая, то скорость большая.

Осмотическую концентрацию измеряют в осмолях по отношению к количеству раствора или к количеству растворителя. Чтобы не запутаться, нужно понять, что такое осмоль.

Осмоль – это 6,02214179(30)×1023 (число Авогадро NA) осмотически активных частиц в растворе.

Осмоль – это единица осмотической концентрации, получаемая при растворении одного моль неэлектролита. Это верно потому, что если вещество – неэлектролит, значит оно не диссоциирует на ионы, и при растворении одного моля такого вещества мы получим 6,02214179(30)×1023 (число Авогадро NA) осмотически активных частиц в растворе.

Если мы будем растворять один моль электролита с изотоническим коэффициентом 2, например, поваренную соль (NaCl → Na+ + Cl-), мы получим раствор, в котором будет 2 NA осмотически активных частиц. Таким образом, растворив один моль электролита, диссоцирующего на два иона, в растворе мы получим два осмоля.

Продолжим: Если мы будем растворять один моль электролита с изотоническим коэффициентом 3, например, Хлорид кальция (CaCl2 → Ca+2 + Cl- + Cl-), мы получим раствор, в котором будет 3NA осмотически активных частиц. В результате, растворив один моль электролита, диссоцирующего на три иона, в растворе мы получим три осмоля.

Соответственно для того, чтобы получить один осмоль из электролита, диссоцирующего на два иона (изотонический коэффициент 2), нужно взять

ЧАСТЬ I. Законы природы и единицы измерения

1⁄2моля сухого вещества (например NaCl). А если нужно получить один осмоль из электролита диссоцирующего на три иона (изотонический коэффициент 3), нужно взять 1⁄3 моля сухого вещества (например CaCl2).

В физиологии используют две единицы осмотической концентрации: осмоляльность и осмолярность.

Осмоляльность – молярное количество осмотически активных частиц на килограмм растворителя, или

Осмоляльность – количество осмолей на килограмм растворителя размерность – осм/кг

Осмолярность – молярное количество осмотически активных частиц на литр раствора, или

Осмолярность – количество осмолей на литр раствора, размерность – осм/л

Почувствуйте разницу: в первом случае на килограмм растворителя, а во втором на литр раствора. Кстати, -ляльность и -лярность здесь такая же как в моляльности и молярности. Молярное количество частиц – это число Авогадро,

NA = 6,02214179(30)×1023

А теперь, чтобы закрепиться на завоёванном плацдарме знаний - примеры: У нас есть три одномолярных раствора (1моль вещества на литр раствора) глюкозы, поваренной соли и хлористого кальция. Какая осмолярность? Ответ: раствор глюкозы – 1осм/л, раствор поваренной соли – 2осм/л, раствор хлористого кальция – 3осм/л.

В физиологии осмотическую концентрацию измеряют в миллиосмолях на литр или на килограмм.

Главное не забывать графа Амедео Авогадро

(LorenzoRomanoAmedeoCarloAvogadrodiQuaregnaeCerreto) и число Авогадро NA = 6,02214179(30)×1023

I.11 В чем сложность?

Ближе к телу!Или приближаемся к клинической реальности.

Работа клинициста довольно сильно отличается от чистого лабораторного эксперимента

•Во-первых: Все жидкие среды организма являются сложными раство-

рами, содержащими ионы, недиссоциирующие молекулы и коллоидные частицы.

•Во-вторых: Реальные мембраны организма имеют разную

проницаемость для разных компонентов раствора

•В-третьих: И в норме, и в патологии проницаемость мембран в орга-

низме меняется (нагрузка, возбуждение, передача импульса, период рефрактерности, воспаление, метаболические нарушения, интоксикации и т. д.)

•В-четвертых: Существует активный транспорт через мембраны (белки-

переносчики нередко работают против градиента концентрации)

•В-пятых: И в норме и в патологии градиент гидростатического давле-

ния по сторонам мембраны меняется в зависимости от функциональной нагрузки. (Меняется скорость диффузии и даже – направление)

•В-шестых: И в норме, и в патологии электрический заряд (поляриза-

ция мембраны или каналов) по сторонам мембраны меняется в зависимости от функциональной нагрузки. (Меняется скорость диффузии и даже – направление)

Что измеряют осмометром?

Напрашивается очевидный ответ – осмоляльность. Это так, но осмометр определяет «абсолютную», «общую», «идеальную» осмоляльность.

Прибор очень хороший, но он не знает, в каком состоянии находятся клеточные мембраны, поэтому та цифра, которую он выдаёт – это осмоляльность раствора при условии, что мембрана «идеальная» и пропускает только воду, а все растворенные вещества отражает (не пропускает). Напомним:

Для того, чтобы мог существовать осмос, необходима мембрана, проницаемая для воды и непроницаемая для растворенного вещества.

В связи с тем, что мембраны в организме проницаемы для некоторых растворённых веществ существует термин, Эффективная осмоляльность.

Эффективная осмоляльность – это осмоляльность раствора по отношению к данной мембране. Или это суммарная осмоляльность тех компонентов раствора, для которых мембрана не проницаема.

Тоничность – термин, используемый только для сравнения осмотической активности растворов. Такой узкоспециальный термин. Чаще всего

ЧАСТЬ I. Законы природы и единицы измерения

сравнение идёт с осмоляльностью плазмы или внутриклеточной жидкости (цитоплазмы). Термин тоничность не предполагает какого-либо обозначения концентрации. Если говорят «гипертонический раствор» – это значит, что его эффективная осмоляльность больше, чем у того раствора, с которым сравнивают. Если говорят «гипотонический раствор» – это значит, что его эффективная осмоляльность меньше, чем у того раствора, с которым сравнивают. Когда дело доходит до конкретики, все равно приходится называть числовое значение осмоляльности. Например скажут: «Это гипертонический раствор», а потом добавят: «Его осмоляльность 450 мосм/кг». Лучше всего термин «изотонический раствор» использовать в узкоспециальном смысле, – как раствор, осмоляльность которого равна осмоляльности плазмы здорового человека (280-300мосм/кг). Термин тоничность показывает, как поведут себя клетки в растворе. В гипертоническом растворе клетки сморщатся, а в гипотоническом – разбухнут и лопнут.

На лабораторных работах по патофизиологии студентам показывают в микроскоп, что может случиться с эритроцитами, если они попадают в плохую среду, чтобы студенты не прогуливали лекции и не шлялись, где ни попадя.

Итак тоничность и эффективная осмоляльность – это близкие поня-

тия. Тот раствор, у которого эффективная осмоляльность больше, чем у плазмы, будет гипертоническим, а если эффективная осмоляльность меньше, чем у плазмы – это гипотонический раствор.

Иногда можно встретить такое выражение: «гиперосмолярный изотонический раствор». Что сие означает? Чаще всего это значит, что «абсолютная» осмоляльность, определенная криоскопическим методом, больше 300 мосм/кг, а эффективная осмоляльность равна осмоляльности цитоплазмы. Клетки, погруженные в такой раствор не будут сморщиваться. Такой феномен наблюдается, если в растворе есть вещества, свободно проходящие через клеточную мембрану, например, мочевина или этиловый спирт. Такие вещества в организме осмотического давления не создают, а осмометр считает их осмотически активными, Да он вообще любое растворенное вещество считает осмотически активным. Так его воспитали.

I.12Измерениеосмолярностииосмоляльностивклиническойпрактике

Для понимания нужно представить, как работает осмометр и что он на самом деле измеряет. В настоящее время на российском рынке представлены три вида осмометров: 1 мембранные, 2 криоскопические, 3 испарительного типа.

Мембранные осмометры – это осмометры прямого действия, в этих приборах напрямую измеряется осмотическое давление на полупроницаемую мембрану в результате осмоса.

Мембранные осмометры имеют синтетическую полимерную мембрану с порами определенного размера. Мембрана разделяет измерительную камеру надваотсека,водинотсеккамерыпомещаетсятестовыйраствор(рингер)вдругой отсек исследуемый раствор (плазма крови). С помощью пьезодатчика измеряется давление на мембрану. Результаты измерений прибор выдаёт в единицах давления (mmHg или кПа). Большинство этих приборов оснащены мембранами, отсекающими молекулы массой > 10.000-30.000 Дальтон. Называют эти приборы «Осмометры-онкометры» или просто «Онкометры». Эти приборы измеряют коллоидно-осмотическое давление. Типичные представители «OSMOMAT 050 и OSMOMAT 090 фирмы GONOTEC GMBH (GERMANY)». Существуют мембран-

ные осмометры, для которых выпускаются комплекты мембран, позволяющие отделять молекулы меньшего размера и массы. Важно помнить, что состояние и проницаемость капиллярных мембран у нашего пациента может сильно отличаться от проницаемости полимерной синтетической мембраны в приборе. Это значит, что мы узнаем, какое давление создают молекулы массой > 10.00030.000 Дальтон, находящиеся в плазме пациента по отношению к тестовой мембране прибора, а что происходит у пациента на границе капилляринтерстиций, нужно предполагать на основе клиники, дополнительных исследований и знаний физиологии.

Криоскопические осмометры и осмометры испарительного типа

не измеряют осмоляльность, они её рассчитывают. В основе расчётов лежит теория коллигативных свойств растворов, первый и второй законы Рауля и закон ВанГоффа. В медицинских институтах эти теории и законы изучают на первом и втором курсах.

Коллигативные свойства растворов – свойства растворов, которые зависят лишь от количества кинетических единиц и от их теплового движения.

Такое определение обязательно надо разъяснить.

1.Свойства растворов – это температура кипения, температура замерзания, давление насыщенного пара растворителя и осмоляльность.

2.Кинетические единицы – это молекулы и ионы растворенных веществ.

3.Тепловое движение кинетических единиц – это внутренняя энергия веще-

ства, что в переводе на бытовой язык означает температура.

Итак, растворитель в нашем случае вода. Чистая вода при обычном атмосферном давлении кипит при 100 градусах Цельсия, а замерзает при ноле. Давление насыщенного пара воды при 0°C – 4,6mmHg, при 20°C – 17,4mmHg, при 100°C – 760mmHg. Как только мы в этой воде что-нибудь растворяем, температура замерзания понижается, температура кипения повышается, а давление насыщенного пара при той же температуре уменьшается. Это – первый и второй законы Рауля. Закон Ван-Гоффа гласит, что осмотическое давление прямо про-