Осмос, печень и бактерия
Осмос - это процесс переноса растворителя через полупроницаемую мембрану из области низкой концентрации растворенного вещества в область высокой концентрации.
Биологические мембраны по своей сути являются полупроницаемыми мембранами, отграничивающими клетку от внешней среды.
Клетка находиться в жидкой среде организма, где вода растворитель, а разные молекулы солей, ионов, белков и так далее находятся в растворенном состоянии как снаружи клетки, так и внутри нее. Стало быть, на клетку действуют осмотические силы - осмос - перемещая воду то внутрь клетки, то из нее, в зависимости от концентрации (осмолярности) растворенных веществ снаружи и внутри клетки. Растворы с осмолярностью, равной осмолярности цитоплазмы клетки (внутренней среды клетки), называют изотоническими по отношению к клетке, и вода в данном случае никуда не перемещается, сохраняется стационарное состояние - состояние осмотического равновесия - клетка не набухает от воды и не сжимается от ее потери. Данное состояние характерно для нормальной жизни клетки в условиях организма. В гипертоническом растворе, осмолярность которого превышает осмолярность цитоплазмы, клетки сжимаются, теряя воду, так как вода выходит наружу через мембрану. Напротив, в гипотоническом растворе, осмолярность которого ниже осмолярности цитоплазмы, клетки набухают, поскольку в них усиленно проникает вода. Набухание клетки может закончиться разрывом мембраны и смертью, данное явление известно как осмотический лизис. Осмос зависит только от количества растворенных веществ.
Существенно отличие бактериальной клетки от животной (человеческой) состоит в том, что бактериальная клетка не содержит внутри себя никаких компартментов, все ее внутренние молекулы (в том числе и генетический материал) свободно растворены в цитоплазме. Тогда как, в животной клетке многие молекулы (комплексы молекул) упакованы в дополнительные оболочки - компартменты (ядро, митохондрии и т.д.).
Упаковка молекул, их ограничение, необходимо для уменьшения количества свободно растворенных веществ в цитоплазме, а значит и для уменьшения осмолярности цитоплазмы. Таким образом, ясно, что осмолярность бактериальной клетки намного выше, чем животной. Поэтому бактериальная клетка, казалось бы, не может существовать во внутренней среде животного организма, так в такой среде она будет существовать в условиях изотонического раствора, что будет приводить к ее набуханию и осмотическому лизису, за счет привлечения воды внутрь клетки, но этого не происходит, так как бактериальная клетка, снаружи защищена жестким каркасом (клеточной стенкой), не позволяющим ей набухать и подвергаться гибели. Разрушение стенки антибиотиками приводит к осмотическому лизису бактерии.
Сканирующая электронная микроскопия Escherichia coli [Фотография из журнала “Annals of Microbiology” за 2015 год (№ 65, том 3, стр. 1543)]
Лизис бактерий в связи с повреждением клеточной стенки. Сканирующая электронная микроскопия Escherichia coli после 10 минутной экспозиции в гелиевой плазме [Фотография из журнала “Annals of Microbiology” за 2015 год (№ 65, том 3, стр. 1543)]
Так известен такой факт: глюкоза в организме запасается впрок в виде гликогена, например, в печени. При этом, как синтез гликогена, так и его распад с целью высвобождения глюкозы (из которой организм будет получать энергию), сопряжены с энергозатратами. Но почему организм тратит энергию на синтез и распад гликогена, вместо того, чтобы просто откладывать глюкозу в клетках печени в качестве резерва? Все дело заключается в осмосе. Так одна молекула гликогена состоит примерно из 100 глюкозных звеньев и представляет всего лишь одну молекулу, тогда как помещение в печени свободных 100 молекул глюкозы приведет к значительному увеличению осмолярности из-за увеличения количества молекул. По расчетам, концентрация такого же количества свободной глюкозы в печени, что находится в гликогене, будет равняться 0,4 М, при этом, известно, что концентрации глюкозы в плазме крови равна 0,05 М, тогда такой высокий градиент осмолярности между клетками печени и плазмой, приведет к набуханию клеток, и повреждению печени, из-за привлечения в нее воды из плазмы, в связи с осмосом. Поэтому организм запасает глюкозу в печени (и других органах) в виде гликогена. Из двух приведенных примеров становиться ясно, какую огромную роль осмос играет в жизни организмов.
________________________
Фотография: Сканирующая электронная микроскопия Escherichia coli после 2 минутной экспозиции в аргоновой плазме, клеточная стенка повреждена, бактериальные клетки набухают из-за осмоса [Фотография из журнала “Annals of Microbiology” за 2015 год (№ 65, том 3, стр. 1543)]