База знаний
Проницаемость клеток для воды
Клетки содержат большое количество воды. В животных клетках ее около 80%, а в некоторых растительных клетках, имеющих большую центральную вакуоль, количество воды может достигать 95% и выше. Однако в протоплазме этих клеток содержание воды примерно такое же, как и в животных клетках.
В каком состоянии находится вода в живых клетках, отличается ли она по своим свойствам от воды в сосуде, так называемой объемной воды? Единого мнения по этому поводу не существует.
Со времен исследования Е. Овертона (1902) возникло представление о наличии в клетках связанной воды, которая не растворяет вещества и не подвергается действию осмотических сил. Овертон полагал, что связанная вода составляет 35% от всей воды в клетке. Он работал на мышцах, изучая проницаемость различных веществ с помощью осмотического метода, и обнаружил отклонение от осмотической закономерности: мышцы теряли воды в гипертонических растворах меньше, чем следовало. Но если допустить, что 35% воды не растворяет, т.е. является связанной, то получалось хорошее соответствие с осмотической закономерностью.
Некоторые исследователи пониженную растворяющую способность клеточной воды объясняют не ее особыми свойствами, а тем, что какая-то часть ее находится в местах, недоступных для более крупных молекул, поэтому они в ней и не растворяются (гипотезы ограниченных недоступных пространств). Наоборот, другие исследователи полагали, что в протоплазме вообще нет свободной воды, что она вся связана, т.е. что она отличается от объемной воды, хуже растворяет и не смешивается с ней.
На основании физико-химических исследований известно, что структура воды изменяется вблизи поверхностей раздела фаз, в капиллярах, вокруг молекул с большой молекулярной массой. Силовое поле поверхности вызывает более упорядоченную структуру воды. При этом изменения не ограничиваются мономолекулярным слоем, а распространяются на расстоянии 5—10 нм и даже на 150 нм. Вода эта по сравнению с более удаленной от поверхности обладает иной плотностью, иной растворяющей способностью, иной вязкостью и повышенной теплопроводностью. Клетка же состоит из огромных молекул биополимеров и пространственно представляет собой чрезвычайно сложно организованную структуру с очень большой поверхностью.
Наличие в клетке электрических зарядов — ионов — также должно влиять на состояние воды, так как известно, что ионы К + , NH4 + , Rb + , Cs + , Cl — , I — повышают подвижность молекул воды, разжижают ее структуру и молекулы воды вблизи этих ионов приобретают большую подвижность. Указанные ионы обладают отрицательной гидратацией.
Ионы Na + , Li, Ca 2+ , Ba 2+ , Mg 2+ , Al 3+ , OH — , F — обладают положительной гидратацией, они замедляют подвижность молекул, и можно говорить о некотором эффективном связывании ионами ближайших молекул воды.
В настоящее время пытаются экспериментально решить вопрос о состоянии воды в клетках с привлечением различных физико-химических методов — рентгеноструктурного анализа, инфракрасной спектроскопии, ядерного магнитного резонанса, колориметрического, различных оптических и др. К сожалению, ввиду очень сложного объекта, каковым является клетка, невозможно однозначно интерпретировать полученные данные. В большинстве работ указывается на существование нескольких фракций воды, разной степени упорядоченности.
Таким образом, вопрос о состоянии воды в клетке еще не решен. Не лучше обстоит дело и со структурой объемной воды— существует также много теорий ее строения.
В норме количество воды в клетках поддерживается с большим постоянством, возможны небольшие сезонные колебания. Но если значительно изменяется функциональное состояние клетки, то изменяется и количество в ней воды. Так, при различных повреждениях, при действии ферментных ядов, низкой температуры и других факторов клетки поглощают воду и набухают. Изменение ферментативной активности в митохондриях сопровождается их набуханием или отбуханием.
Все клетки хорошо проницаемы для воды, скорость проникновения ее значительно выше, чем других веществ (кроме газов), например в 50 раз выше скорости глицерина и в 30—40 раз — мочевины. О проницаемости воды чаще всего судят по скорости изменения объема клетки в гипо- или гипертонических растворах веществ, не проникающих или плохо проникающих в клетки, т.е. по скорости отбухания или набухания. В таблице 3 приведены величины коэффициентов проницаемости воды для различных клеток.
| Таблица 3. Проницаемость клеток для воды по данным осмотических опытов | |
| Объект | Проницаемость (мкм 3 ) за 1 мин через 1 мкм 2 поверхности при разности осмотического давления внутри и снаружи клетки, равной 0,1 МПа |
| Простейшие | |
| Одноядерная амеба | 0,026—0,031 |
| Грегарина | 0,2 |
| Неоплодотворенные яйца морских животных | |
| Морской еж | 0,10—0,17 |
| Морская звезда | 0,60—0,70 |
| Клетки растений | |
| Фукус (бурая водоросль) | 0,13-0,19 |
| Лук репчатый | 0,35 |
| Майник двулистный | 0,06—0,38 |
| Клетки млекопитающих | |
| Лейкоциты кролика | 0,3 |
| Лейкоциты человека | 1,3 |
| Эритроциты человека | 3,0 |
Как видно из приведенных данных, они отличаются друг от друга в десятки и сотни раз.
Проницаемость клеток для воды изучается и с помощью изотопного метода с использованием либо тяжелой дейтериевой воды (D2O), либо радиоактивной тритиевой (T2O) без нарушения осмотического равновесия. Этот метод показал, что все время происходит обмен воды между клеткой и средой. Если кролику ввести в кровяное русло тяжелую воду, то уже через 30—40 мин она полностью перемешивается с водой скелетной мышцы. Вода протоплазмы амебы обменивается на тяжелую воду за 14 мин; у аксона кальмара время полуобмена воды аксоплазмы лежит в пределах 40с.
Скорость движения воды в клетку или из клетки по осмотическому градиенту, определяемая по скорости изменения объема клетки, больше, чем при диффузионном обмене, обнаруживаемом изотопной методикой при постоянном объеме клетки (табл. 4).
| Таблица 4. Величина проницаемости воды у некоторых клеток, определяемая разными методиками (Harris, 1960) | |||
| Клетки | Проницаемость, мкм/с —1 | ||
| осмотический метод | изотопный метод | ||
| Амеба | 0,37 | 0,23 | |
| Яйцеклетка лягушки | 1,30 | 0,75 | |
| Эритроциты человека | 139,0 | 58 | |
| Эритроциты быка | 152,0 | 51 | |
| Эритроциты собаки | 400,0 | 63 | |
Каковы механизмы движения воды?
Это пассивный перенос по осмотическому градиенту. Ни у одного животного пока не найдено образования, способного к активной секреции воды и к транспорту молекул воды против осмотического градиента. У некоторых одноклеточных, живущих в пресной воде, избыток поступающей по осмотическому градиенту в организм воды непрерывно удаляется с помощью особого органоида — пульсирующей вакуоли. Благодаря этому осмотическое давление внутри клетки постоянно поддерживается на более высоком уровне по сравнению с давлением среды. Это активный процесс, протекающий с затратой энергии, но механизм его еще неизвестен.
Почти у всех пресноводных и наземных растений, имеющих клетки с твердыми оболочками из клетчатки, концентрация содержимого клеток больше концентрации тканевых жидкостей. Поэтому вода стремится внутрь клетки и обусловливает тургор, играющий для жизни растений важную роль (удержание воды, расправление листьев и побегов, рост). У растений пустынь разница осмотических давлений содержимого клетки и окружающей жидкости достигает иногда 5 МПа.
У животных клеток стенки эластичные и концентрация внутри и вне клеточной жидкости обычно изоосмотичная. Постоянство осмотического давления тканевой жидкости и плазмы крови поддерживается с помощью специальных систем организма.
Источник
Клетка теряет воду процесс
Осмос и его роль в живых организмах
Осмосом называют диффузию воды через полупроницаемую мембрану из раствора с низкой концентрацией растворенного вещества в раствор с высокой концентрацией растворенного вещества.
Если осмотическое давление раствора больше, чем давление «нашей» жидкости, раствор называют гипертоническим; если меньше – гипотоническим, если такое же – изотоническим.
Под плазмолизом понимается отделение протопласта клетки от оболочки под действием на клетку гипертонического раствора.
Деплазмолиз – процесс обратный плазмолизу, возвращение протопласта клеток растений из состояния плазмолиза в исходное состояние, характеризующееся нормальным тургором.
Плазмолиз характерен главным образом для клеток растений, обладающих жесткой клеточной стенкой. Животные клетки при помещении в гипертонический раствор, теряя воду, сморщиваются и уменьшаются в размерах. Плазмолиз растительной клетки аналогичен этому процессу, но сморщивание протопласта происходит внутри клеточной стенки. В нормальных условиях плазмалемма растительной клетки плотно прижата к клеточной стенке изнутри под действием тургорного давления. При помещении клетки в раствор, концентрация осмотически активных веществ в котором больше концентрации клеточного сока, то скорость диффузии воды из клеточного сока будет превышать скорость диффузии воды в клетку из окружающего раствора. Вследствие выхода воды из клетки объем клеточного сока сокращается, тургор уменьшается. Уменьшение объема клеточной вакуоли сопровождается отделением цитоплазмы от оболочки. В процессе плазмолиза протопласт теряет воду, уменьшается в размерах и отделяется от клеточной стенки.
Живые ткани растения в какой-то мере могут быть рассмотрены как симпласты (синцитии), поскольку протопласты соседних клеток сообщаются между собой через плазмодесмы – цитоплазматические нити, располагающиеся в канальцах, пронизывающих клеточную стенку. Плазмодесмы располагаются в клетке группами на месте так называемых первичных поровых полей. Роль плазмодесм заключается в обеспечении передачи раздражений и передвижения веществ от клетки к клетке. Протопласт как бы закреплен на клеточной стенке в местах расположения плазмодесм, поэтому при уменьшении объема клетки в процессе плазмолиза протопласт дольше всего остается прикрепленным к клеточной стенке именно в местах плазмодесм.
Источник
Межклеточный обмен водой и похудание
Обмен водой между клетками и кровеносными сосудами управляется с помощью двух основных механизмов: осмос и активная работа клеточных мембран. Активность мембран клетки контролируется самой клеткой, кроме того, на нее оказывают влияние некоторые медикаменты. Осмос — это простой пассивный химический процесс, направленный на то, чтобы уравновесить осмотическое давление крови изнутри и снаружи клеточной мембраны.
Eсли в кровь поступает больше воды, то больше воды доставляется в клетки, и они тогда могут работать с максимальной эффективностью», легче доставлять питательные вещества в клетку и выводить токсические вещества из клетки. Обильное питье воды также помогает работе мозга, ведь мозг, как мы уже говорили, более чем на 80% состоит из воды!
Приводя в действие кальциевонатриевые «насосы» (а именно кальций и натрий регулируют процесс выработки энергии внутри клеток), вода способствует образованию «гидроэлектричества». Часть его расходуется на текущие нужды, а оставшееся количество преобразуется в энергетические запасы для экстренных случаев.
Если человек не получает достаточного количества воды, клетки не только не вырабатывают новую энергию, они отдают и то, что успели накопить. В конце концов, это приводит к тому, что клетки начинают зависеть от внешних поступлений энергии, а попросту говоря — от пищи. Естественно, возникает соблазн накопить эту энергию впрок, и организм начинает запасать жир. Одновременно с этим начинается быстрое расщепление белка и крахмала — ведь они легче усваиваются организмом, чем жир. Таким образом запускается механизм развития ожирения.
Накопление жира — это не что иное, как борьба организма с обезвоживанием. Вспомните верблюда, который запасает жир в горбах исключительно для того, чтобы во время долгого путешествия по безводной пустыне иметь резервный источник воды.
Но ведь мы с вами не верблюды! А жизнь вокруг нас вряд ли напоминает пустыню. Мы имеем доступ к воде, но сами ограничиваем ее потребление. В результате каждый четвертый в России и каждый второй в США страдает от «запасов», которые обезвоженный организм накопил в борьбе с обезвоживанием.
При обезвоживании процент содержания жидкости внутри клеток может снизиться на 66%, а межклеточной жидкости — на 26%. Оно и понятно — за поддержание всех жизненных систем межклеточный обмен ответствен гораздо больше, чем внутриклеточный. Разница в процентном содержании внутри и вне клеток как раз и есть тот фактор, благодаря которому становится возможным проникновение воды с растворенными в ней ионами необходимых микроэлементов внутрь клеток. В возрастной период с 20 до 70 лет соотношение воды внутри клеток и вне их снижается с 1,1 до 0,8.
Эти значительные потери внутриклеточной жидкости, естественно, отрицательно сказываются на функционировании самих клеток. Уже одно это должно заставить нас пить воду еще до того, как в организме произойдет сбой на том или ином участке. Для того чтобы все клетки работали полноценно, лучше заранее обезопасить свой организм от потери воды и насытить водой каждую его клеточку.
Источник
Осмос живой клетки
Необходимым условием жизнедеятельности организма является транспорт одного очень важного вещества, а именно воды. Хотя вода совершенно необходима живой клетке, однако клетка не располагает никакой специальной системой ни для ее поглощения, ни для ее вывода наружу. Вода проходит сквозь клеточную мембрану совершенно свободно путем так называемого осмоса.
Осмосом называют прохождение воды через избирательно проницаемую мембрану, в частности через клеточную мембрану. В случае клеточной мембраны осмос частично обусловлен диффузией отдельных молекул воды сквозь эту мембрану, а частично — током воды через особые поры в мембране. Поскольку концентрация всякого водного раствора зависит от количества растворенного в воде вещества, вода стремится переходить из более разбавленного раствора (где концентрация воды выше) в более концентрированный (где концентрация воды соответственно ниже).
Осмотическое движение воды зависит от двух главных факторов:
- от общей концентрации всех растворенных в воде частиц по обе стороны мембраны и
- от давления, создаваемого каждым раствором.
При прочих равных условиях вода стремится переходить через избирательно проницаемую мембрану от менее концентрированного раствора к раствору с более высокой общей концентрацией всех растворенных частиц (рис.1. ).
Рис. 1. Осмос в искусственной системе. Трубку, содержащую раствор глюкозы и закрытую с одного конца мембраной, пропускающей воду, но не пропускающей глюкозу, опускают закрытым концом в сосуд с водой. Вода может проходить через мембрану в том и в другом направлении; однако молекулы глюкозы в трубке мешают движению соседних молекул воды, и потому больше воды входит в трубку, чем выходит из нее. Раствор поднимается в трубке до тех пор, пока давление его столба не станет достаточным для того, чтобы вытеснять воду из трубки с такой же скоростью, с какой она поступает внутрь.
Однако при этом в какой-то момент вода, поступившая в более концентрированный раствор, может развить такое давление, что это давление будет вытеснять ее наружу с такой же скоростью, с какой она поступает внутрь.
Не обладая способностью насасывать или откачивать воду непосредственно, клетки регулируют приток и отток воды, изменяя концентрацию находящихся в них растворенных веществ. Чтобы поглотить больше воды, клетка поглощает больше ионов различных солей, молекул глюкозы или других растворимых соединений. В результате в клетке повышается концентрация растворенных частиц. Вода по законам осмоса начинает поступать в клетку, стремясь к выравниванию своей собственной концентрации по обе стороны мембраны.
Так работает эта система до тех пор, пока концентрация растворенных веществ вне клетки и в клетке примерно одинакова. А что происходит, когда концентрация внутри и вне клетки очень сильно разнится? Если в среде концентрация растворенных веществ выше, чем в самой клетке, или если средой для клетки служит практически сухой воздух, то клетка теряет воду и сморщивается, как это бывает, когда растения привядают в сухой жаркий день. С оттоком воды содержимое клетки сжимается и отходит от клеточных стенок (рис. 2).
Рис. 2. Тургор и завядание у растений.
А. Растительные клетки, окруженные разбавленным раствором, поглощают воду путем осмоса через клеточную мембрану и остаются тургесцентными.
Б. Растительные клетки, окруженные концентрированным раствором, теряют воду вследствие осмоса, и растение завядает.
Если, однако, увядшее растение поместить в воду, то вода вновь поступает в клетки. Они становятся тургесцентными, т.е. набухают от воды и снова прижимаются к клеточным стенкам, подчиняясь тургорному давлению, направленному изнутри наружу. Клеточные стенки способны растягиваться лишь до известного предела, после которого они начинают оказывать противодавление, вытесняющее воду из клеток с такой же скоростью, с какой она в них поступает. Таким способом клеточные стенки защищают клетки: не дают им лопнуть под напором избытка воды.
Многие животные клетки, если поместить их в чистую воду или в очень разбавленный раствор, лопаются, потому что у них нет клеточных стенок (рис. 3).
Рис. 3. Осмос в животной клетке.
А. Животная клетка в разбавленном растворе поглощает воду до тех пор, пока не лопнет
Б. Животная клетка в концентрированном растворе теряет воду и сморщивается
Во избежание этого лекарственные препараты, предназначенные для внутривенного введения, готовят не на чистой воде, а на специальных солевых растворах. Животные клетки, соприкасающиеся с водой постоянно, например клетки, выстилающие желудочно-кишечный тракт человека, обладают приспособлениями, которые не дают им поглощать слишком много воды. Когда мы пьем воду, она всасывается и распределяется постепенно; именно поэтому клетки в нашем организме и не лопаются.
Источник
