Осмотическое давление растворов биополимеров

Осмотическое давление разбавленных растворов ВМС подчиняется закону Вант-Гоффа. При увеличении концентрации ВМС наблюдаются отклонения от этого закона: реальное осмотическое давление становится выше теоретического, рассчитанного по уравнению (рис. 5).

Это явление связано с тем, что в растворах ВМС кинетически самостоятельными единицами являются не только сами макромолекулы, но и их отдельные сегменты, обладающие относительной подвижностью. Тепловое движение сегментов макромолекул называют микроброуновским движением. Число подвижных сегментов увеличивается с ростом концентрации ВМС нелинейно. Для расчета осмотического давления растворов ВМС используют уравнение Галлера: (2), где γ — массовая концентрация полимера; М — средняя молярная масса полимера, г/моль; b — вириальный коэффициент, учитывающий форму молекулы и степень ее асимметрии.

Рис. 5. Зависимость осмотического давления от концентрации раствора: 1 — раствор ВМС; 2 — раствор низкомолекулярного неэлектролита

В сложных биологических системах суммарное осмотическое давление создается как низкомолекулярными электролитами и неэлектролитами, так и биополимерами. Составляющая суммарного осмотического давления, которая обусловлена наличием белков и других частиц коллоидного размера, называется онкотическим давлением. Доля онкотического давления относительно невелика: она составляет примерно 0,5% от суммарного осмотического давления (около 3,1 кПа), однако отклонение этой величины от нормы приводит к серьезным нарушениям в функционировании организма. Известно, что в артериальной части капилляров гидростатическое давление больше онкотического, а в венозной — меньше. Это обеспечивает перемещение безбелковой части плазмы в первом случае в межклеточную жидкость, а во втором — в обратном направлении (рис. 6).

Таким образом, устанавливается динамическое равновесие между кровью и тканевыми жидкостями, за счет чего осуществляется транспорт питательных веществ и конечных продуктов обмена. Важная роль белков в поддержании осмотического равновесия объясняется тем, что стенки капилляров обладают ультрафильтрационными свойствами: они проницаемы для большинства низкомолекулярных веществ и непроницаемы для белков, других макромолекул и коллоидно-дисперсных частиц. Понижение онкотического давления, вызванное гипопротеинемией (пониженным содержанием белков в плазме), затрудняет обратный ток жидкости из тканей в капилляры, вследствие чего возникают отеки. Гипопротеинемия может быть различной этиологии (голодание, нарушение пищеварения, выделение белка с мочой при болезнях почек и др.)

Рис. 6. Осмотическое равновесие между плазмой и межклеточной жидкостью

Мембранное равновесие

Теория мембранного равновесия была создана в 1911 г. английским физикохимиком Ф. Доннаном. Избирательная проницаемость клеточных мембран обусловливает особое перераспределение электролитов по разные ее стороны, известное под названием равновесие Доннана. Описывается оно с помощью следующего уравнения: (3)

где х - количество ионов, перешедших внутрь при контакте мембраны с межклеточной жидкостью; с_ех - концентрация иона в межклеточной жидкости (от англ. external — внешний); с_т — концентрация иона во внутриклеточной жидкости (от англ. internal — внутренний).

Если до контакта мембраны с внешним раствором с_ех > c_in, то уравнение (3) можно преобразовать следующим образом:

Анализ данного выражения показывает, что при этом условии электролит распределится поровну по разные стороны мембраны. При с_ех = c_in уравнение (3) преобразуется иным образом:

В этом случае внутрь клетки перемещается 1/3 часть ионов, тогда как в отсутствии белка во внутриклеточной жидкости при с_ех = с_хп направленного переноса иона не наблюдалось бы. Даже при с_ех < с_in часть ионов обязательно перейдет внутрь клетки. Анализ уравнения (3) показывает, что осмотическое давление внутри клетки будет всегда больше, чем в межклеточной жидкости.