WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 11 |

Сольватацией называется процесс, когда всякая несущая заряд частица (ион) или полярная молекула в растворе окружается оболочкой из молекул растворителя, т.е. сольватируется. Если растворитель – вода, то оболочка называется гидратной, а процессы ее образования – гидратацией. Степень гидратации различных ионов и молекул неодинакова и зависит от размеров частиц и величины их заряда. Чем больше заряд и меньше размеры, т.е. чем выше удельная плотность заряда, тем сильнее гидратация. Недиссоциированные молекулы также в той или иной степени гидратированы, причем их гидратная оболочка возникает только вокруг полярных групп и поэтому может быть не сплошной. Гидратная оболочка удерживается электростатическими силами притяжения, причем полярные группы могут образовывать водородные связи с молекулами воды.

Процесс набухания всегда специфичен. Полимер набухает не в любом растворителе, а лишь в том, с которым он взаимодействует. Это взаимодействие связано в первую очередь с полярностью растворителя. Поэтому полярные полимеры набухают в полярных жидкостях, например белки в воде, а неполярные – в неполярных, например каучук в бензоле [207,209].

Одной из наиболее распространенных является осмотическая теория набухания, согласно которой процесс набухания протекает в две стадии (в два этапа) [207-209,213,214]. Осмосом называется процесс самопроизвольного перехода (диффузии) растворителя через полупроницаемую перегородку (мембрану) в ту часть системы, где выше концентрация растворенного вещества. Вода вовлекается в набухающую ткань благодаря избыточной концентрации молекул или ионов, содержащихся в ткани (внутритканевом матриксе) по сравнению с их концентрацией в окружающих тканях или растворе.

Первый этап набухания связан с поглощением гелем малых количеств растворителя, при этом объем геля почти не изменяется. Присоединение жидкости происходит только на поверхности высокомолекулярных соединений. На этой стадии (т.е. на стадии сольватации полимера) процесс набухания идет с выделением теплоты, т.е. экзотермически [207-209]. Установлено, что, например, на 1 г крахмала выделяется в среднем 6.6 кал, а на 1 г желатина – 5.7 кал. Вторая стадия характеризуется поглощением основных количеств жидкости, проникающей внутрь межмолекулярных пространств. Этот этап сопровождается большим увеличением объема геля в результате осмотического всасывания растворителя. Упругие свойства полимерных гелей определяются прочностью и гибкостью макромолекулярной сетки, а также свойствами молекул растворителя. Особенно характерно это для полярных макромолекул в водной среде. Гидратные оболочки, окружающие полярные группы, создают упругую водную сетку. Жидкость, заполняющую сетку геля можно условно разделить на две части: "свободную" и "связанную", входящую в состав сольватных оболочек. Сольватная вода обладает особыми свойствами: большей плотностью, пониженной температурой замерзания (до -15°С и ниже), потерей растворяющей способности и т.д. Связанная вода играет большую роль в нашей жизни, ибо присутствие ее в почве, растениях, во всех живых организмах обеспечивает морозоустойчивость, поддерживает "водные запасы" и определяет морфологические структуры клеток и тканей. В человеческом организме доля связанной воды составляет у младенца порядка 70%, снижаясь к старости до 40% [209]. В тоже время, поглощенная на втором этапе жидкость по своим свойствам не отличается от обычной жидкости [207,208].

Наиболее наглядно осмотическая природа набухания проявляется при рассмотрении набухания клеточных структур. Животная или растительная клетка по своей природе представляет собой осмотическую ячейку, окруженную полупроницаемой мембраной, которая образована двойным слоем липидов и белками.

При этом проницаемость мембран для воды и растворенных в ней веществ различна.

Существенно, что вероятность проникновения растворителя и растворенных в нем веществ зависит как от направления их перемещения, например, в клетку или из клетки, так и от разновидности молекул и ионов. Изучение механизмов транспорта веществ через клеточные мембраны имеет большое значение для биологии и медицины, т.к. нарушениями систем активного и пассивного транспорта объясняются причины многих заболеваний, а также действие лекарственных препаратов.

В нативном состоянии осмотическое давление, создаваемое по обе стороны клеточной мембраны накапливающимися на ней ионами, выровнено (т.н. доннановское равновесие), но если поместить клетку в жидкость, то равновесие будет нарушено, и будет наблюдаться осмотический перенос жидкости через мембрану. При этом направление потока растворителя определяется разностью осмотических давлений по обе стороны клеточной мембраны. Давление, которое нужно приложить к раствору, чтобы прекратить осмос, т.е. проникновение в раствор через полупроницаемую мембрану чистого растворителя, называется осмотическим давлением.

Роль осмоса в биологических процессах как растительного, так и животного мира огромна. Осмос является одной из причин, обусловливающих поступление влаги и некоторых растворенных в ней веществ из почвы по стеблю или стволу растения к листьям. Нередко при этом подъем растительных соков происходит на высоту в несколько метров и возникающая разность давлений между основанием гидростатического столба и его наивысшей точкой измеряется несколькими атмосферами.

Живая клетка растения окружена полупроницаемой оболочкой, через которую проходят молекулы воды и не проходит большинство веществ, находящихся в клеточном соке. Если такая клетка соприкасается, например, с почвенным раствором, то происходит осмос и проникающая в клетку вода создает в ней давление, достигающее иногда 0.4-2.0 МПа (4-20 атм). Это повышенное давление придает клеткам определенную упругость и напряжение – так называемый тургор, позволяющий растению сохранять вертикальное положение и определенную форму [215]. Осмотический градиент, определяющий собой силу, с которой вода всасывается в клетку, численно равен разности между осмотическим и тургорным давлением. Если клетки отмирают, то это означает, что перестает действовать механизм осмоса, давление в клетках падает и растение увядает. В общем случае осмотическое давление поглощаемой клетками растений жидкости может достигать очень больших величин (порядка десятков атмосфер). Известны случаи, когда стальной корпус судна разрывался вследствие набухания гороха или зерна, заполняющих трюм судна, при контакте с водой [209].

Если клетка попадает в раствор с повышенной концентрацией солей и других растворимых веществ, то это приводит к осмосу, при котором вода диффундирует из клетки в раствор. При этом протоплазма отслаивается от оболочки, клетка сморщивается, а вся ткань теряет тургор и устойчивость, свойственную ей в нормальном состоянии. Это явление называется плазмолизом. При погружении плазмолизированных клеток в воду, протоплазма вновь набухает, ткань восстанавливает тургор и первоначальный вид. Происходит так называемый деплазмолиз, который можно увидеть, помещая начинающие поникать срезанные цветы в воду.

Осмотическое давление крови человека довольно постоянно и при 37°С достигает порядка 0.74-0.78 МПа [216]. Оно обусловлено главным образом присутствием в плазме крови катионов и анионов солей и в меньшей степени осмотическими свойствами коллоидных частиц (осмотическое давление порядка 0.0025-0.0040 МПа). Присутствие в плазме крови форменных элементов (эритроцитов, лейкоцитов и тромбоцитов) практически не отражается на величине осмотического давления. Постоянство осмотического давления в крови регулируется выделением паров воды при дыхании, работой почек, выделением пота и т.д.

Растворы, обладающие более высоким осмотическим давлением, чем внутритканевая жидкость (или плазма крови), называются по отношению к ней гипертоническими, а растворы, имеющие более низкое осмотическое давление – гипотоническими. Изотоническими, по отношению друг к другу, называются растворы обладающие одинаковым осмотическим давлением. Во всех случаях, когда в кровяное русло, мышечную ткань, спинно-мозговой канал и т.д. с определенными терапевтическими целями вводят солевые растворы (физиологические растворы), необходимо заботиться о том, чтобы такая операция не привела к “осмотическому конфликту“ – резкому несоответствию между осмотическим давлением плазмы крови, межклеточной или спинно-мозговой жидкостей и осмотическим давлением, которым обладает вводимый раствор.

Если, например, вводимый внутривенно раствор гипертоничен по отношению к крови, то при этом будет происходить осмос воды из внутренней части эритроцитов в окружающую их плазму, эритроциты будут обезвоживаться и сморщиваться. Если же вводимый раствор гипотоничен по отношению к крови, то осмос будет осуществляться в обратном направлении – внутрь эритроцитов, эритроциты при этом будут увеличиваться в объеме, что может привести к разрыву оболочки. В результате этих разрывов гемоглобин, находящийся внутри эритроцитов, будет поступать в плазму и смешиваться с ней. Это явление называется гемолизом (от греч. hiama-кровь, lisisраспад) или эритроцитолизом (от греч. erythros – красный, cytos – сосуд, lisis – распад).

Начальная стадия гемолиза наступает уже при снижении осмотического давления в плазме до 0.36-0.40 МПа, а полный гемолиз – при снижении его до 0.26-0.30 МПа.

Опасные последствия гемолиза зависят не только от разности осмотических давлений по обе стороны оболочки эритроцита, но также от клеточной проницаемости, которую можно снизить введением, например, гепарина и др.

Гемолиз является частным случаем более общего явления – цитолиза – разрушения животных и растительных клеток под влиянием различных причин, чаще всего разницы осмотических давлений по обе стороны полупроницаемой оболочки клетки.

Осмос лежит в основе целого ряда физиологических процессов, происходящих в организме животных и человека. При его посредстве осуществляется усвоение пищи, окислительные процессы, связанные с дыханием, распределение питательных веществ, переносимых с кровью, жидкостной обмен в тканях, выделение продуктов жизнедеятельности (мочи, кала) и т.д. Потребляя чрезмерно соленую или сладкую пищу, человек испытывает жажду, которая сигнализирует о возрастании в клеточных и межклеточных жидкостях осмотического давления. При купании в морской воде наблюдается покраснение глаз с незначительными болевыми ощущениями (осмос воды из глазного яблока в морскую воду, где осмотическое давление несколько выше;

происходит как бы некоторое усыхание). При купании же в пресной воде болевые ощущения и резь в глазах более заметны, ибо при этом осмос направлен внутрь глазного яблока. Набухание и обезвоживание также наблюдается при регенерации тканей, воспалении, образовании отеков, при проникновении кислых жидкостей в ткани, при ожоге кожи крапивой, при укусе насекомых и т.п.

Одним из характерных свойств коллагена, являющегося основным белком фиброзных тканей и образующим скелет внутритканевого матрикса, является его способность к набуханию, причем степень набухания изменяется в зависимости от кислотных свойств раствора [214]. Изменение pH среды в более кислую или щелочную сторону от изоэлектрической точки коллагена увеличивает степень его набухания (Рис.

12) [208], что связано с появлением положительного или отрицательного заряда у молекул белка.

Изоэлектрическая точка белка – это такая точка, при которой белок обладает наименьшим объемом и наименьшей растворимостью и при которой количество ионизированной кислоты и основных групп в молекуле белка достигает равновесия, так что белок практически нейтрален и нереактивен. Поэтому при нейтральной реакции коллаген находится в самом нереактивном состоянии и может являться поддерживающей структурой, почти не принимая участия в химических реакциях.

Однако в растворах кислот и щелочей ионизация белков происходит по разному и белок способен реагировать как щелочь или как кислота [214]. В физиологических условиях изоэлектрическая точка коллагена находится вблизи pH = 7 [119] (7.4-7.8 для коллагена кожи [214]).

Рис. 12. Степень набухания желатина в средах с различным значением pH [208] На Рис. 13 представлена кривая набухания коллагена в естественной невысушенной роговице вола [214]. Из рисунка видно, что минимальное набухание коллагена наблюдается при значениях pH порядка 7.5-7.8, что свидетельствует о том, что изоэлектрическая точка коллагена лежит в данной области. В тоже время, при изменении кислотности окружающей среды, изоэлектрическая точка коллагена, повидимому, может довольно значительно смещаться. Так в работе [122], при исследовании полностью дегидратированных образцов склеры и роговицы глаза, показано, что минимальное набухание исследуемых биотканей наблюдается вблизи значений pH порядка 4.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 pH Рис. 13. Набухание коллагена роговицы вола при различных pH [214] В фиброзных тканях, основными компонентами, определяющими их оптические и структурно-морфологические свойства, являются коллагеновые, эластиновые волокна и внутритканевая жидкость. В свою очередь основными компонентами внутритканевой жидкости также являются коллагеновые и эластиновые волокна (образующие каркас внутритканевого матрикса, представляющего собой полимерный гель), протеогликаны и гликопротеины [143]. Гликопротеины – это белки, содержащие олигосахаридные (гликановые) цепи, ковалентно присоединенные к полипептидной основе [218].

Гликопротеины принимают участие в метаболических процессах, обеспечивают связь между компонентами внутритканевого матрикса и между клетками биоткани и компонентами матрикса [143,218]. Протеогликаном называется комплекс, образованный одним или несколькими гликозаминогликанами, ковалентно связанными с белком (например, коллагеном или эластином внутритканевого матрикса) [143,218]. На долю протеогликанов приходится до 30% сухой массы соединительной ткани [138].

Протеогликаны отвечают за гидратацию и упругость внутритканевого матрикса, стабилизацию сети коллагеновых волокон и т.д. Гликозаминогликаны (мукополисахариды) представляют собой полисахариды, построенные из повторяющихся дисахаридных компонентов, которые обычно содержат аминосахара (глюкозамин или галактозамин в сульфированном или несульфированном виде) и уроновую кислоту (глюкуроновую или идуроновую). Аминосахара это производные моносахаридов, одна из гидроксильных групп которых (-OH замещена ) аминогруппой (-NH. Именно гликозаминогликаны отвечают за гидратацию ) биотканей. Выполнению данной функции способствует большое число -OH групп и отрицательных зарядов на их молекулах, что приводит к взаимному отталкиванию углеводных цепей внутритканевого матрикса (препятствуя их слипанию), и образованию вокруг них гидратных оболочек [143,218]. Таким образом, мы видим, что степень набухания (гидратации) биотканей определяется числом гликозаминогликанов и удельной плотностью заряда создаваемого ими. Способность биотканей к набуханию ограничивается в основном каркасом коллагеновых и эластиновых волокон внутритканевого матрикса [143]. Гликозаминогликаны являются полианионами Вес, мг благодаря присутствию в их структурах кислых сульфатных групп или карбоксильных групп уроновых кислот. Известно семь типов гликозаминогликанов, соединяющихся с белками в составе протеогликанов. Шесть из них обладают родственной структурой и содержат остатки уроновой кислоты и гексозамина, которые перемежаются в повторяющихся дисахаридных компонентах; исключение составляет кератансульфат, лишенный уроновой кислоты. Все они, кроме гиалуроновой кислоты, содержат сульфированные сахара и ковалентно присоединены к белкам [138,218].

Дадим краткое определение основных типов гликозаминогликанов [138,143, 218]. Гиалуроновая кислота представляет собой неразветвленную цепь из повторяющихся дисахаридных компонентов. Гиалуроновая кислота присутствует у бактерий и широко распространена в различных тканях животных и человека, включая стекловидное тело глаза и соединительную ткань. Основная роль гиалуроновой кислоты в соединительной ткани – связывание воды и регуляция проницаемости ткани.

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 11 |






















© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.