Capitolul 8 Osmoza Fenomenul de osmoz¼a este foarte important pentru înţelegerea unui mare num¼ar de fenomene ziologice. El poate pus în evidenţ¼a cu

Transcriere

1 Capitolul 8 Osmoza Fenomenul de osmoz¼a este foarte important pentru înţelegerea unui mare num¼ar de fenomene ziologice. El poate pus în evidenţ¼a cu ajutorul unei celule Pfe er (Fig. 8.1). Aceasta const¼a dintr-un clopot de sticl¼a prev¼azut cu un tub vertical la un cap¼at. Gura clopotului este închis¼a cu o membran¼a semipermeabil¼a. Clopotul este umplut cu o soluţie de sare în ap¼a şi apoi este introdus într-un vas în care se a ¼a ap¼a pur¼a. Membrana permite trecerea apei dar nu şi a moleculelor substanţei care a Figura 8.1: Celula Pfe er. În interiorul clopotului se a ¼a o soluţie iar în exteriorul lui solventul pur. 119

2 120 fost dizolvat¼a. În acest experiment se constant¼a c¼a apa penetreaz¼a membrana, astfel c¼a nivelul apei din tub se ridic¼a pân¼a la un anumit nivel. În esenţ¼a este vorba de un efect de difuzie: în solvent num¼arul de molecule din care este format solventul din unitatea de volum este mai mare decât în soluţie. Astfel are loc o trecere a solventului pur prin membran¼a pentru a se egaliza concentraţia. Existenţa uxului de solvent indic¼a o stare de neechilibru între cele dou¼a sisteme. Se ajunge la echilibru când presiunea hidrostatic¼a creat¼a de coloana de lichid din tub este echilibrat¼a de aşa numita presiune osmotic¼a. Presiunea osmotic¼a a soluţiei reprezint¼a presiunea care trebuie exercitat¼a asupra soluţiei (sau mai bine zis asupra membranei din interiorul soluţiei) pentru a împiedica solventul pur s¼a traverseze membrana care separ¼a cele dou¼a sisteme(faze). În cazul anterior presiunea osmotic¼a este egal¼a cu = gh (8.1) unde este densitatea lichidului, g = 9; 8 m/s 2 este acceleraţia gravitaţional¼a şi h este în¼alţimea colanei de lichid. Ea este determinat¼a de tendinţa de trecere a moleculelor de ap¼a în clopot pentru a micşora concentraţia moleculelor substanţei dizolvate. Când presiunea hidrostatic¼a este su cient de mare moleculele de ap¼a nu

3 121 mai pot intra în clopot. 8.1 Legea Van t Ho Legea a fost obţinut¼a în anul 1877 de Van t Ho pornind de la analogia cu ecuaţia de stare a gazului ideal. El a pornit de la faptul c¼a 1 mol de gaz ideal a at într-un volum de 1 dm 3 la temperatura de 273,15 K exercit¼a o presiune de 2; 27 MPa. El a presupus c¼a moleculele substanţei dizolvate cu concentraţia 1 mol/litru se comport¼a la fel ca moleculele unui gaz. Presiunea determinat¼a de acestea este presiunea osmotic¼a. Pentru gazul ideal: = RT (8.2) V Ecuaţia 8.2 poate transcris¼a pentru a se obţine presiunea osmotic¼a în forma: = crt (8.3) unde c este concentraţia molar¼a (num¼ar de moli dintrun litru), R = 8; 314 J/mol K este constanta universal¼a a gazelor, iar T este temperatura în grade Kelvin. Exemplu: Estimarea presiunii osmotice în cazul celulelor. Se consider¼a o celul¼a a at¼a în ap¼a pur¼a cu raza R 0 = 10 m (1 m = 10 6 m)care conţine proteine globulare cu raza de r = 10 nm (1nm = 10 9 m). Proteinele ocup¼a o fracţie f = 0; 3 din volumul celulei. S¼a se determine presiunea osmotic¼a.

4 122 Volumul unei proteine este v = 4 3; 14 r 3 =3 astfel c¼a num¼arul de proteine din volumul V este N = fv=v: Atunci num¼arul de moli de proteine este = N=N A ; unde N A = 6; este num¼arul lui Avogadro. Rezult¼a concentraţia c = V = 3f 4 3; 14 r 3 N A = 0; 115 moli/litru Cu aceast¼a valoare se poate calcula presiunea osmotic¼a cu formula 8.3 se obţine 300 Pa. O astfel de presiune nu poate suportat¼a de membrana celulei care se poate rupe. Astfel presiunea osmotic¼a este o m¼arime extrem de important¼a deoarece în general concentraţia unei anumite substanţe nu este aceiaşi în interiorul şi exteriorul celulei. Din acest motiv celula trebuie s¼a aib¼a mecanisme pentru reglarea presiunii osmotice. Expresia presiunii osmotice este valabil¼a pentru soluţii ideale, sau, cu o anumit¼a aproximaţie, pentru soluţii foarte diluate. Aceste restricţii pot surmontate cu ajutorul unui factor de corecţie g numit coe cient osmotic. Coe cienţii osmotici pentru NaCl, KCl şi zaharoz¼a funcţie de concentraţie sunt prezentaţi în Fig Astfel relaţia presiunii osmotice 8.3 devine: = gcrt (8.4) Putem introduce astfel noţiunea de osmolaritate a soluţiei ca ind! = gc:

5 123 Figura 8.2: Coe cienţi osmotici g funcţie de concentraţia molar¼a în soluţie apoas¼a. Cu cât concentraţia creşte cu atât factorul g se abate de la valoarea unitate. În plus, în cazul soluţiilor neideale presiunea osmotic¼a exercitat¼a de substanţele care disociaz¼a este egal¼a cu suma presiunilor osmotice ale ionilor rezultaţi prin disociere. Dac¼a o sare, format¼a din ioni monovalenţi, precum NaCl disociaz¼a complet în ionii de Na + şi Cl ; concentraţia osmotic¼a activ¼a este de 2 ori mai mare decât concentraţia s¼arii. Trebuie f¼acut¼a o distincţie dintre osmolaritatea şi molaritatea soluţiei. Osmolaritatea unei soluţii 0; 1 moli/litru de NaCl (la 25 0 C) este! = 2 0; 1 g = 2 0; 1 0; 932 = 0; 1864 osmolar. S¼a consider¼am situaţia în care substanţa dizolvat¼a are un factor de disociere : Factorul de disociere reprezint¼a raportul dintre num¼arul de moli care disoci-

6 124 az¼a şi num¼arul total de moli. = care disociaz¼a total S¼a presupunem c¼a prin disociere apar ioni. Dac¼a în soluţie exist¼a moli de substanţ¼a dizolvat¼a atunci disociaz¼a moli şi cum ecare molecul¼a disociat¼a determin¼a apariţia a ioni rezult¼a c¼a în sistem apar moli.! (disociere)! Al¼aturi de aceştia trebuie consideraţi şi (1 ) moli nedisociaţi din substanţa iniţial¼a. Rezult¼a astfel, num¼arul total de moli din soluţie: T = + (1 ) T = [1 + ( 1)] (8.5) În acest caz, osmolaritate soluţiei! devine: Relaţia 8.6 se va scrie:! = [1 + ( 1)]cg (8.6) =!RT (8.7) În ziologia celulei presiunea hidrostatic¼a care apare datorit¼a presiunii osmotice prezint¼a un interes special.

7 125 Numai în cazul echilibrului termodinamic al apei în sistem şi numai dac¼a membrana este cu adev¼arat semipermeabil¼a în raport cu toţi componenţii soluţiei, diferenţa de presiune osmotic¼a este egal¼a cu presiunea hidrostatic¼a. Pentru soluţiile cu mai mulţi componenţi, cu propriet¼aţi de permeabilitate diferite, putem utiliza urm¼atoarea relaţie între diferenţele de presiune osmotic¼a şi diferenţa de presiune hidrostatic¼a: nx p = p i p e = i i (8.8) Aceast¼a ecuaţie ia în consideraţie c¼a într-un sistem cu n substanţe ecare determin¼a o diferenţ¼a în presiunea osmotic¼a: i=1 i = i(interior) e(exterior) (8.9) În Fig. 8.3 este prezentat¼a leg¼atura dintre presiunea hidrostatic¼a şi presiunea osmotic¼a în cazul unei celule. E cacitatea producerii diferenţei de presiune hidrostatic¼a este caracterizat¼a cu ajutorul factorului cunoscut ca factorul de re exie Stavermann. Dac¼a moli de substanţ¼a activ¼a ating membrana, se re ect¼a în timp ce (1 ) o pot penetra. Dac¼a = 0 membrana este neselectiv¼a şi permite trecerea prin ea atât a solventului cât şi a substanţei dizolvate. Dac¼a = 1 atunci membrana permite doar trecerea solventului. În Tabelul 6.1 sunt ar¼ataţi diferiţi coe cienţi de re exie a unor substanţe neelectrolitice în cazul eritrocitelor umane.

8 126 Figura 8.3: Relaţia dintre diferenţa de presiune osmotic¼a şi diferenţa de presiune hidrostatic¼a. Tabelul 6.1 Valori tipice pentru coe cienţii de re exie ai substanţelor neelectrolitice pentru eritrocitele umane Substanţ¼a Uree 0,79 Etilen glicol 0.36 Glicol 0,88 Acetamid¼a 0,80 Propiamid¼a 0.84 Malonamid¼a 0,91 Spre deosebire de aproximaţia clasic¼a, acest model ia în consideraţie c¼a membrana nu este semipermeabil¼a, ci doar permiselectiv¼a. Acest fapt înseamn¼a c¼a toate componentele soluţiei pot penetra mai mult sau mai puţin membrana. În general coe cientul de re exie pentru dizaharide, zaharoz¼a şi pentru moleculele mai mari este aproape egal cu 1. Moleculele mai mici, în special

9 127 Figura 8.4: Dispozitiv pentru punerea în evidenţ¼a a osmozei şi a ultra ltr¼arii acelea care pot penetra direct prin stratul lipidic din membranele biologice, au valori mai mici decât 1 ale factorului de re exie. 8.2 Ultra ltrare şi reabsorbţia Se consider¼a cazul prezentat în Fig Dispozitivul conţine un cilindru închis la ambele capete de dou¼a pistoane mobile şi desp¼arţit în dou¼a p¼arţi de o membran¼a semipermeabil¼a (membrana permite doar trecerea moleculelor de ap¼a). Unul din compartimente conţine doar ap¼a iar cel¼alalt compartiment o soluţie de ap¼a cu zah¼ar. De pistonul care este în contact cu apa pur¼a este legat¼a o greutate. Atunci când sistemul este l¼asat liber pot ap¼area unul din cele dou¼a cazuri a) Când greutatea masei m este mic¼a datorit¼a fenomenului de osmoz¼a lichidul tinde s¼a treac¼a în compartimen-

10 128 tul din dreapta. Astfel masa m este ridicat¼a şi soluţia din compartimentul din dreapta se dilueaz¼a. Sistemul efectueaz¼a un lucru mecanic deoarece masa m este ridicat¼a în câmpul gravitaţional. Energia necesar¼a pentru a efectua acest lucru mecanic este preluat¼a din mediul extern. Astfel se transform¼a energia termic¼a în energie mecanic¼a. b) Dac¼a masa este mare atunci masa m coboar¼a şi apa pur¼a trece din compartimentul din stînga în dreapta. Soluţia din compartimentul din stânga devine mai concentrat¼a în timp ce în compartimentul din dreapta se strânge mai mult¼a ap¼a pur¼a. Acesta este fenomenul de ultra ltrare şi aceasta este o modalitate de a se obţine ap¼a pur¼a. Îns¼a pentru aceasta este necesar s¼a se efectueze lucru mecanic. În cazul de faţ¼a lucrul mecanic este efectuat de câmpul gravitaţional. La nivelul vaselor capilare are loc aşa numitul fenomen Starling (Fig. 8.5). În partea arterial¼a a capilarului presiunea hidrostatic¼a este mai mare şi atunci apa împreun¼a cu moleculele mici pot ieşi din capilar, pe când în partea venoas¼a, deoarece presiunea hidrostatic¼a este mic¼a are loc fenomenul de osmoz¼a care duce la trecerea apei din exteriorul vasului capilar în interiorul acestuia (reabsorbţia).

11 129 Figura 8.5: Fenomenul Starling 8.3 Forţa de interacţie dintre macromolecule datorit¼a fenomenului de s¼ar¼acire Se consider¼a dou¼a obiecte mari într-un vas în care exist¼a o suspensie de obiecte mici cu concentraţia n într-un mediu apos. Experimental se observ¼a c¼a obiectele mari se apropie unele de altele. Explicaţia acestui fenomen porneşte de la ideea c¼a obiectele mari sunt înconjurate de o zon¼a de s¼ar¼acire a c¼arei grosime este egal¼a cu raza R a obiectelor mici. Acesta înseamn¼a c¼a centrele particulelor mici nu pot intra în zona respectiv¼a. Când cele dou¼a suprafeţe se apropie, zonele lor de s¼ar¼acire se unesc (Fig. 8.6). Putem interpreta fenomenul în termeni de presiune osmotic¼a. În Fig. 8.6 este ar¼atat¼a o particul¼a care încearc¼a s¼a intre în spaţiul dintre cele dou¼a suprafeţe, dar nu reuşeşte. Fenomenul este echivalent cu cel care se petrece în cazul unei membrane semipermeabile care permite trecerea moleculelor de ap¼a dar nu şi a particulelor. Pre-

12 130 Figura 8.6: Fenomenul de apropiere al unor obiecte mari într-un mediu în care se a ¼a şi obiecte mici. siunea osmotic¼a care apare de-a lungul membranei virtuale forţeaz¼a cele dou¼a particule mari s¼a se apropie una de cealalt¼a. Apa are tendinţa s¼a ias¼a din zona de s¼ar¼acire. Apare o presiune exterior care face ca cele dou¼a obiecte mari s¼a se apropie. Rearanjarea structurile din jurul particulelor pare a nu important¼a, dar efectul total al interacţiei datorit¼a fenomenului de s¼ar¼acire este important. Astfel Dismore A. D., Wong D.T. şi Yodh A. G. au prezentat un experiment interesant în articolul Hard sferes vesicle: curvature - induced forces and partiale - induced curvature Phys. Rev. Lett, 80, Autorii au preparat un vezicul conţinând o particul¼a cu raza de aproximativ 0; 25 m şi o suspensie de particule mici cu raza de 0; 04 m. S-a realizat şi un experiment în care particulele mici sunt absente. S-a observat c¼a cu cât exist¼a mai multe particule mici, particula mare este forţat¼a s¼a

13 131 petreac¼a mai mult timp în apropierea pereţilor veziculului. Dac¼a înlocuim particula mare cu macromolecule mari şi particulele mici cu polimeri cu form¼a elicoidal¼a sau proteine globurale mici, se observ¼a c¼a obiectele mici ajut¼a macromoleculele mari s¼a se g¼aseasc¼a una pe alta. De exemplu introducerea în soluţie a unei proteine BSA (bovin serum albumin) sau polietilenglicolului (PEG - un polimer) reduce solubilitatea dezoxihemoglobinei şi ale altor proteine mari ajutându-le s¼a stea împreun¼a. Efectul const¼a în mişcarea solubilit¼aţii de 10 ori. Astfel PEG-ul poate stabiliza anumite complexe moleculare împotriva mişc¼arii de agitaţie termic¼a. Ad¼augarea de PEG într-o soluţie care conţine proteine, îmbun¼at¼aţeşte asocierea complexelor de proteine cu un ordin de m¼arime şi chiar mai mult. Prezenţa unor astfel de tipuri de molecule pot creşte rata diferitelor reacţii de: asamblare a lamentelor actinice, şi m¼areşte e cienţa acţiunii diferitelor enzime. Pare paradoxal c¼a o creştere a dezordini poate asambla anumite obiecte mari. Trebuie observat c¼a num¼arul particulelor mici este mult mai mare decât al particulelor mari. Astfel dac¼a se asambleaz¼a câteva molecule mari se elibereaz¼a un spaţiu mare pentru molecule mici. Astfel, dezordinea acestor molecule mici creşte. Aceasta duce la creşterea total¼a a entropiei.