Осмос

Автор — Ольга Примак, ординатор Национального медицинского исследовательского центра кардиологии имени ак. Е.И. Чазова, преподавательница кафедры биологии АПО; Анастасия Чашникова, выпускница факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ им. М.В.Ломоносова, преподаватель биологии АПО и «Коалиции».

В середине XVIII века французский физик-экспериментатор, член Парижской академии наук Жан Антуан Нолле провёл следующий эксперимент: он наполнил сосуд винным спиртом, закрыл его плотно мембраной (использовался кусок мочевого пузыря свиньи) и погрузил в чан с водой. Вода проходила внутрь сосуда со спиртом и создавала в нём такое давление, что пузырь раздувался и лопался. В результате своих опытов в 1748 году учёный открыл не что иное, как явление осмоса. Им также было введено понятие осмотического давления, открыто явление диффузии.

**Рис 1.** Жан Антуан Нолле. *Источник*.

Дальнейшие исследования

Изучение биологических мембран продолжалось. Профессор МГУ И.Н. Бекман пишет, что уже в середине ХХ века появилась новая отрасль в науке и промышленности — мембранная технология, основанная на разделении жидких и газовых смесей путём молекулярного фильтрования через полупроницаемые мембраны. Возникли такие технологии, как микро- и ультрафильтрация, обратный осмос, электродиализ и диализ, газоразделение, первапорация, мембранная дистилляция и др. Мембранные технологии нашли применение в том числе в медицине — в аппаратах искусственного кровообращения, гемодиализа, оксигенаторах крови и так далее.

Определения понятий

Осмос представляет собой диффузию растворителя через полупроницаемую мембрану, не пропускающую растворённое вещество, из области с низкой концентрацией растворённого вещества в область с его высокой концентрацией.

Под полупроницаемой мембраной подразумевается мембрана, разделяющая две жидкие или газообразные фазы, обеспечивающая под действием движущей силы выборочный перенос компонентов этих фаз. Как правило, такие мембраны способны пропускать молекулы растворителя и низкомолекулярных соединений и не пропускать молекулы растворённых веществ.

Согласно предложенной Джонатаном Сингером и Гартом Николсоном в 1972 году жидкостно-мозаичной модели, мембрана представляет собой жидкий фосфолипидный бислой, в котором заякорены белковые молекулы.

Поскольку гидрофобные «головы» фосфолипидов обращены к внешним сторонам мембраны, она является непроницаемой для большинства водорастворимых молекул.

Таким образом, плазматическая мембрана образует барьер между клеткой и окружающей средой, отвечает за активный и пассивный транспорт веществ в клетку и из неё, в том числе за пассивный транспорт растворителя (воды), то есть за осмос. Благодаря мембране устанавливается разница концентраций ионов внутри клетки и во внеклеточном пространстве, что в свою очередь способствует осмосу воды из окружающей среды в клетку.

Механизм осмоса

Представьте, что перед вами две ёмкости, отделённые друг от друга полупроницаемой мембраной, пропускающей воду, но непроницаемой для растворённого вещества. Возьмём для примера глюкозу. В одну ёмкость налили однопроцентный водный раствор глюкозы, а в другую десятипроцентный раствор (рис. 3 (А)).

В нашем эксперименте поры полупроницаемой мембраны имеют небольшой размер и пропускают маленькие молекулы растворителя, но блокируют диффузию больших молекул глюкозы. Мы будем наблюдать постепенное повышение уровня жидкости в ёмкости с более высокой концентрацией глюкозы и, наоборот, его понижение в ёмкости с менее концентрированным раствором (рис. 3 (Б)). При этом концентрация глюкозы будет постепенно понижаться и повышаться соответственно, пока не произойдёт выравнивание концентраций растворов в обеих ёмкостях. Наблюдаемое явление обусловлено перемещением молекул воды из области с низкой концентрацией растворённого вещества в область с высокой концентрацией.

**Рис. 3.** Механизм осмоса. Автор рисунка — Ольга Примак.

Каким образом молекулы и ионы «перетягивают» на себя воду?

В растворе всякая заряженная частица, будь то ион или полярная молекула, окружается сольватной оболочкой, состоящей из ориентированных соответствующим образом молекул растворителя.

Сольватация — энергетическое и пространственное взаимодействие между растворёнными веществами и растворителем, приводящее к тому, что каждая молекула или ион окружены оболочкой из молекул растворителя.

Если растворителем является вода, то такая оболочка называется гидратной, а само явление носит название гидратации.

**Рис. 4.** Сольватная оболочка: А — вокруг положительно заряженного иона, Б — вокруг отрицательно заряженного иона. Автор рисунка — Дарья Сорокина.

**Рис. 5**. А — первичная сольватная оболочка: молекулы растворителя прочно удерживаются около растворенного вещества. Б — вторичная сольватная оболочка: формируется за счет электростатического взаимодействия молекул первичной сольватной оболочки с другими молекулами растворителя, возможен обмен молекул. Автор рисунка — Дарья Сорокина.

Степень гидратации различных ионов и молекул неодинакова и зависит как от величины зарядов этих частиц, так и от их размеров. Чем больше заряд и меньше размеры, т. е. чем выше удельная плотность заряда, тем сильнее выражена гидратация. Таким образом, гидратные оболочки удерживаются электростатическими силами притяжения.

Основной вклад в осмотичность клетки вносят неорганические ионы. Они способны перемещаться через плазматическую мембрану в основном за счёт активного транспорта (насосы). Кроме того, клетки содержат высокие концентрации малых полярных органических молекул (сахара, аминокислоты, нуклеотиды и др.), для которых мембрана является почти непроницаемой. Макромолекулы сами по себе слабо влияют на осмотическое давление клетки, так как их число сравнительно мало по сравнению с числом небольших органических молекул. Однако большинство макромолекул сильно заряжены и удерживают вокруг себя множество ионов противоположного заряда. Именно эти ионы и вносят вклад во внутриклеточную осмотичность. Кроме того, стоит учитывать, что эти молекулы также удерживают вокруг себя молекулы воды, которая разбавляет клеточный сок.

Добавим, что малые метаболиты также во многих случаях заряжены и окружены противоионами. Таким образом, как сами малые молекулы, так и окружающие их ионы с противоположным зарядом существенно влияют на осмотическое давление.

Осмотическое давление

Изменим условия нашего эксперимента (рис. 5). Оставим исходные концентрации глюкозы, но в ёмкости, содержащей раствор с повышенной концентрацией растворённого вещества, повысим давление, изменив, например, положение поршня. При достижении достаточного уровня давления изменение уровней жидкости в ёмкостях с разными концентрациями глюкозы происходить не будет (рис. 6(Б)).

Из этого можно сделать вывод о том, что существует некая сила, действующая на полупроницаемую мембрану, разделяющую два раствора с разной концентрацией растворённых веществ, и направленная от более разбавленного к более концентрированному раствору. Данную силу можно уравновесить, при этом прекратится осмос растворителя через мембрану. Отсюда следует понятие осмотического давления.

**Рис. 6.** Автор рисунка — Ольга Примак.

Осмотическое давление (обозначается π) — избыточное гидростатическое давление на раствор, отделённый от чистого растворителя полупроницаемой мембраной, при котором прекращается диффузия растворителя через мембрану (осмос).

Защита от осмотического лизиса

У вас может возникнуть вопрос, почему клетки не подвергаются лизису, если концентрация веществ в них чаще всего больше, чем в окружающей среде, и, следовательно, в клетку постоянно путём осмоса поступает вода. Ответ на данный вопрос прост — каждая клетка имеет определённые приспособления для поддержания объёма своей цитоплазмы. К данным механизмам можно отнести, например, прочную нерастяжимую клеточную стенку растительных клеток и бактерий, наличие сократительных вакуолей (органоиды, удаляющие избыток воды из клетки) у пресноводных простейших. Клетки многоклеточных животных с помощью белков-насосов выкачивают в среду ионы, например катионы натрия, тем самым снижая осмолярность своего содержимого. Кроме того, для предотвращения осмотического лизиса клеток организм использует и внеклеточные механизмы — для этого достаточно поддерживать изоосмолярность среды, в которой существуют клетки. Так, например, плазма крови и интерстициальная жидкость имеют осмолярность, близкую к осмолярности цитозоля. Большую роль в этом играет высокая концентрация альбумина и других белков в крови.

Опыт

В качестве экспериментальной модели возьмём эритроциты крови и посмотрим, как будет изменяться их состояние в зависимости от содержания NaCl в среде (рис. 7).

В норме эритроциты способны выдерживать некоторое изменение концентрации NaCl, увеличиваясь в объёме за счёт осмоса воды в клетку и при этом не разрушаясь. Гемолиз (разрушение эритроцитов) начинается при концентрации хлорида натрия 0,46–0,42%, а при помещении капли крови в ещё менее концентрированный раствор наступает полный гемолиз.

**Рис. 7.** Определение осмотической резистентности эритроцитов.
А — отсутствие гемолиза. Эритроциты выпадают в осадок, надосадочная жидкость не содержит гемоглобина, поэтому бесцветна. Б — гемолиз части эритроцитов. Часть клеток выпадает в осадок, часть лизируется. Выделившийся из лизированных эритроцитов гемоглобин окрашивает надосадочную жидкость в розовый цвет. В — полный гемолиз («лаковая кровь»). Осадок отсутствует, надосадочная жидкость ярко-красная. Автор рисунка — Ольга Примак.

**Рис. 8.** Отсутствие гемолиза, частичный гемолиз, лаковая кровь — вид в пробирках.

Определение осмотической резистентности эритроцитов нашло своё применение в медицине.

Снижение осмотической устойчивости эритроцитов может наблюдаться при гемолитических анемиях, например, наследственном микросфероцитозе, когда эритроцит приобретает округлую форму вместо двояковыпуклой и мелкие размеры; а повышение — при таком заболевании из группы гемоглобинопатий, как талассемия.

**Рис. 9.** Эритроциты. Вид сверху и сбоку.
А — нормальный эритроцит (более светлый в центральной части за счёт меньшей толщины клетки и, следовательно, меньшего количества гемоглобина в центре),
Б — микросфероцит (форма двояковыпуклая). Автор рисунка — Ольга Примак.

Значение осмоса и осмотического давления

Подведём итоги, в чём заключается значение осмоса и осмотического давления:

поддержание тургора растительных клеток (тургор — состояние эластичной напряжённости клеточной стенки, обусловленное внутренним давлением жидкости или, иначе говоря, осмотическим давлением);
поддержание эластичности тканей, формы органов;
обеспечение распределения воды в организме между жидкими средами организма и клетками;
улучшение всасывания воды в желудочно-кишечном тракте.

Источники:

Нельсон Д., Кокс М. Основы биохимии Ленинджера. Том 1. М., 2022. С. 84–89.
Бекман И.Н. Курс лекций МГУ им. М.В. Ломоносова «Мембраны в медицине».
Руководство по общей биологии. Том 1, глава 5.9 (Клеточные мембраны).

Рекомендуемые материалы:

Альбертс Б. и др. Молекулярная биология клетки. Т. 1. М. — Ижевск, 2012.
Нельсон Д., Кокс М. Основы биохимии Ленинджера. Т. 1. М., 2022. С. 84–89.
Тейлор Д., Грин Н., Стаут У. Биология в 3 томах. Т. 1. М., 2004.
Физиология человека с основами патофизиологии. В 2 т. Т. 2 / Шмидт Р.Ф., Ланг Ф., Хекманн М. М., 2019.
Занимательные опыты по химии: силикатные творения.
Видео: Опыт по определению осмотической резистентности эритроцитов.