Биология. В 3-х томах. Т. 1

Многие биологические системы существуют в виде коллоидных растворов, гидрофобных или гидрофильных; гидрофобный золь (например, глина или древесный уголь в воде) отталкивает воду, а гидрофильный золь (крахмальный клейстер, студень, желатин и агар) притягивает ее. Большинство коллоидных растворов, которые мы находим в организмах, в частности белковые растворы, представляют собой гидрофобные золи. Вязкость гидрофобного золя, например студня, можно увеличить, повышая его концентрацию или понижая температуру. В конце концов при увеличении вязкости золь может застыть. Такой застывший золь называют гелем. Гель представляет собой более или менее плотную коллоидную систему, хотя, вообще говоря, строгого различия между золем и гелем нет. На переходы золь-гель влияют и такие факторы, как ионный состав, рН и давление. Все это при определенных обстоятельствах может играть важную роль в живых клетках.

В табл. П.1.4 приведены различные характеристики коллоидного состояния.

Таблица П.1.4. Характеристики коллоидного состояния

П.1.5. Диффузия и осмос

Молекулы и ионы в растворе могут перемещаться пассивно и спонтанно в определенном направлении в результате диффузии. Осмос — особый вид диффузии. Для такого перемещения в живых организмах — в отличие от активного транспорта — затраты энергии не требуется. Другой тип движения, а именно массовый поток, рассматривается в гл. 14.

П.1.5.1. Диффузия

Диффузия связана с беспорядочным и спонтанным движением отдельных молекул и ионов. Если, например, оставить открытой склянку с концентрированным водным раствором аммиака, то очень скоро запах аммиака распространится по всей комнате. Этот процесс распространения молекул аммиака представляет собой диффузию, и, хотя любая молекула может двигаться в любом направлении, реальный поток молекул направлен из склянки наружу, т. е. от источника, где их концентрация велика, в те области, где их концентрация ниже. Диффузию, следовательно, можно определить как движение молекул или ионов из области с высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией, иными словами как движение по градиенту концентрации. В отличие от того, что характерно для массового потока, реальная диффузия различных типов молекул или ионов может идти одновременно в разных направлениях; при этом каждый тип молекул движется по своему градиенту концентрации. В легких, например, кислород диффундирует в кровь, а диоксид углерода в то же самое время диффундирует из крови в альвеолы, но массовый поток крови в легких может иметь только одно направление. При равных градиентах концентрации мелкие молекулы и ионы диффундируют быстрее крупных. Существует особая форма диффузии, называемая облегченной диффузией. Она описана в разд. 7.2.2.

П.1.5.2. Осмос

Осмос — это переход молекул растворителя из области с более высокой их концентрацией в область с более низкой концентрацией через полупроницаемую мембрану. Во всех биологических системах растворителем служит вода.

Некоторые мембраны (их и называют обычно полупроницаемыми) пропускают только молекулы растворителя, задерживая все молекулы или ионы растворенного вещества. Однако мембраны живых клеток пропускают определенные молекулы или ионы растворенных веществ, проявляя в этом отношении избирательность, которая зависит от природы мембраны. Такие мембраны называют не полупроницаемыми, а дифференциально или избирательно проницаемыми.

Допустим, что водный раствор А с высокой концентрацией растворенного вещества отделен избирательно проницаемой мембраной от водного раствора В с низкой концентрацией этого вещества. Раствор А по отношению к раствору В является гипертоническим, а раствор В по отношению к раствору А — гипотоническим. В этих условиях будет наблюдаться реальное перемещение молекул воды (т. е. растворителя) через мембрану; молекулы воды будут переходить из гипотонического раствора в гипертонический путем осмоса. Это будет происходить до тех пор, пока не наступит равновесие, после чего реального перемещения воды наблюдаться уже не будет — растворы станут изотоническими (равными по концентрации).

В приведенном примере вода движется от В к А, потому что концентрация воды в В выше, чем в А. Иными словами, вода движется путем диффузии. Осмос поэтому лучше всего рассматривать как особый вид диффузии, при котором равновесие достигается за счет перемещения одних только молекул растворителя. Влияние на эритроциты гипотонического, изотонического и гипертонического растворов показано на рис. П.1.3.