4.1.1: تنظيم التناضح والتوازن الاسموزي

Last updated
Save as PDF

Page ID: 196206

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

المهارات اللازمة للتطوير

تعريف التناضح وشرح دوره داخل الجزيئات
اشرح لماذا يعتبر التنظيم التناضحي والتوازن الاسموزي من وظائف الجسم المهمة
وصف آليات النقل النشطة
شرح الأسمولية والطريقة التي يتم بها قياسها
وصف أجهزة تنظيم التناضح أو أجهزة التناضح وكيف تسمح هذه الأدوات للحيوانات بالتكيف مع البيئات المختلفة

التناضح هو انتشار الماء عبر الغشاء استجابة للضغط الأسموزي الناجم عن اختلال التوازن في الجزيئات على جانبي الغشاء. التنظيم التناضحي هو عملية الحفاظ على توازن الملح والماء (التوازن الأسموزي) عبر الأغشية داخل سوائل الجسم، والتي تتكون من الماء، بالإضافة إلى الإلكتروليتات وغير الإلكتروليتات. الإلكتروليت هو مذاب يتفكك إلى أيونات عند إذابته في الماء. وعلى النقيض من ذلك، لا تتفكك المادة غير الإلكتروليتية إلى أيونات أثناء ذوبان الماء. تساهم كل من الإلكتروليتات وغير الإلكتروليتات في التوازن التناضحي. تشمل سوائل الجسم بلازما الدم، والسيتوسول داخل الخلايا، والسائل الخلالي، وهو السائل الموجود في الفراغات بين خلايا وأنسجة الجسم. أغشية الجسم (مثل الأغشية الجنبية والمصلية والخلوية) هي أغشية شبه قابلة للنفاذ. الأغشية شبه القابلة للاختراق قابلة للنفاذ (أو متساهلة) لأنواع معينة من المواد المذابة والمياه. تميل المحاليل الموجودة على جانبي الغشاء شبه القابل للنفاذ إلى التعادل في تركيز المذاب عن طريق حركة المواد المذابة و/أو الماء عبر الغشاء. كما هو موضح في الشكل\(\PageIndex{1}\)، تميل الخلية الموضوعة في الماء إلى الانتفاخ بسبب اكتساب الماء من بيئة منخفضة التوتر أو «منخفضة الملح». من ناحية أخرى، تميل الخلية الموضوعة في محلول ذي تركيز أعلى من الملح إلى جعل الغشاء يذبل بسبب فقدان الماء في البيئة شديدة التوتر أو «عالية الملح». تحتوي الخلايا متساوية التوتر على تركيز متساوٍ من المواد المذابة داخل الخلية وخارجها؛ هذا يوازن الضغط الاسموزي على جانبي غشاء الخلية وهو غشاء شبه منفذ.

يُظهر الجزء الأيسر من هذا الرسم التوضيحي خلايا الدم الحمراء المنكمشة المغمورة في محلول مفرط التوتر. يُظهر الجزء الأوسط خلايا الدم الحمراء السليمة المغمورة في محلول متساوي التوتر، والجزء الأيمن يُظهر خلايا الدم الحمراء المنتفخة المغمورة في محلول منخفض التوتر. تنفجر إحدى الخلايا المنتفخة في المحلول منخفض التوتر. — الشكل\(\PageIndex{1}\): تميل الخلايا الموضوعة في بيئة شديدة التوتر إلى الانكماش بسبب فقدان الماء. في بيئة منخفضة التوتر، تميل الخلايا إلى الانتفاخ بسبب تناول الماء. يحافظ الدم على بيئة متساوية التوتر بحيث لا تتقلص الخلايا ولا تنتفخ. (تصوير: ماريانا رويز فيلاريال)

لا يوجد الجسم في عزلة. هناك مدخلات ثابتة من الماء والإلكتروليتات في النظام. بينما يتم تنظيم التناضح عبر الأغشية داخل الجسم، يتم نقل الإلكتروليتات الزائدة والنفايات إلى الكلى وإفرازها، مما يساعد على الحفاظ على التوازن التناضحي.

الحاجة إلى تنظيم التناضح

تتفاعل الأنظمة البيولوجية باستمرار وتتبادل الماء والمواد الغذائية مع البيئة عن طريق استهلاك الطعام والماء ومن خلال الإفراز في شكل العرق والبول والبراز. وبدون آلية لتنظيم الضغط الاسموزي، أو عندما يضر المرض بهذه الآلية، هناك ميل إلى تراكم النفايات السامة والمياه، الأمر الذي يمكن أن يكون له عواقب وخيمة.

تطورت أنظمة الثدييات لتنظيم ليس فقط الضغط التناضحي العام عبر الأغشية، ولكن أيضًا التركيزات المحددة للشوارد المهمة في حجرات السوائل الرئيسية الثلاثة: بلازما الدم والسائل خارج الخلية والسائل داخل الخلايا. نظرًا لأن الضغط الاسموزي يتم تنظيمه من خلال حركة الماء عبر الأغشية، يمكن أيضًا تغيير حجم حجرات السوائل مؤقتًا. نظرًا لأن بلازما الدم هي أحد مكونات السوائل، فإن الضغوط التناضحية لها تأثير مباشر على ضغط الدم.

نقل الإلكتروليتات عبر أغشية الخلايا

تتأين الإلكتروليتات، مثل كلوريد الصوديوم، في الماء، مما يعني أنها تتفكك إلى أيونات مكوناتها. في الماء، يتفكك كلوريد الصوديوم (NaCl) إلى أيون الصوديوم (Na ⁺) وأيون الكلوريد (Cl ^—). أهم الأيونات، التي يتم تنظيم تركيزاتها عن كثب في سوائل الجسم، هي كاتيونات الصوديوم (Na ⁺) والبوتاسيوم (K ⁺) والكالسيوم (Ca ⁺²) والمغنيسيوم (Mg ⁺²) وكلوريد الأنيونات (Cl ^-) والكربونات (CO ₃ ^-2) ) وبيكربونات (HCO ₃ ^-) والفوسفات (PO ₃ ^-). يتم فقدان الإلكتروليتات من الجسم أثناء التبول والتعرق. لهذا السبب، يتم تشجيع الرياضيين على استبدال الإلكتروليتات والسوائل خلال فترات زيادة النشاط والتعرق.

يتأثر الضغط الاسموزي بتركيز المواد المذابة في المحلول. وهي تتناسب طرديًا مع عدد الذرات أو الجزيئات المذابة ولا تعتمد على حجم الجزيئات المذابة. نظرًا لأن الإلكتروليتات تتفكك في أيونات مكوناتها، فإنها في جوهرها تضيف المزيد من الجسيمات الذائبة إلى المحلول ولها تأثير أكبر على الضغط الاسموزي، لكل كتلة من المركبات التي لا تتفكك في الماء، مثل الجلوكوز.

يمكن أن يمر الماء عبر الأغشية عن طريق الانتشار السلبي. إذا كانت أيونات الإلكتروليت يمكن أن تنتشر بشكل سلبي عبر الأغشية، فسيكون من المستحيل الحفاظ على تركيزات محددة من الأيونات في كل حجرة سائلة، وبالتالي فهي تتطلب آليات خاصة لعبور الأغشية شبه القابلة للنفاذ في الجسم. يمكن تحقيق هذه الحركة من خلال الانتشار الميسر والنقل النشط. يتطلب الانتشار الميسر قنوات قائمة على البروتين لتحريك المذاب. يتطلب النقل النشط طاقة في شكل تحويل ATP أو بروتينات حاملة أو مضخات من أجل تحريك الأيونات ضد تدرج التركيز.

مفهوم الأسمولية والمكافئ الثلاثي

من أجل حساب الضغط الاسموزي، من الضروري فهم كيفية قياس تركيزات المذاب. وحدة قياس المواد المذابة هي الشامة. يُعرَّف المول الواحد بأنه الوزن الجزيئي بالجرام للمذاب. على سبيل المثال، الوزن الجزيئي لكلوريد الصوديوم هو 58.44. وهكذا، يزن مول واحد من كلوريد الصوديوم 58.44 جرامًا. ومولية المحلول هي عدد مولات المذاب لكل لتر من المحلول. إن مولالية المحلول هي عدد مولات المذاب لكل كيلوغرام من المذيب. إذا كان المذيب عبارة عن ماء، فإن الكيلوغرام الواحد من الماء يساوي لترًا واحدًا من الماء. بينما يتم استخدام المولالية والمولية للتعبير عن تركيز المحاليل، عادة ما يتم التعبير عن تركيزات الإلكتروليت من حيث المكافئات بالمللي لكل لتر (MEQ/L): يساوي MEQ/L تركيز الأيونات (بالميليمول) مضروبًا في عدد الشحنات الكهربائية على الأيون. تأخذ وحدة المكافئ المللي في الاعتبار الأيونات الموجودة في المحلول (حيث أن الإلكتروليتات تشكل أيونات في المحاليل المائية) والشحنة على الأيونات.

وبالتالي، بالنسبة للأيونات التي تحتوي على شحنة واحدة، فإن المكافئ المللي الواحد يساوي مليمول واحد. بالنسبة للأيونات التي تبلغ شحنتها 2 (مثل الكالسيوم)، فإن المكافئ الملياري يساوي 0.5 مليمول. وحدة أخرى للتعبير عن تركيز الإلكتروليت هي المليوسمول (MoSM)، وهو عدد المكافئات المليونية للمذاب لكل كيلوغرام من المذيب. عادة ما يتم الحفاظ على سوائل الجسم في حدود 280 إلى 300 mOsM.

أجهزة تنظيم التناضح والموصلات الاسموزية

يتعرض الأشخاص الذين فقدوا في البحر دون أي مياه عذبة للشرب لخطر الجفاف الشديد لأن جسم الإنسان لا يستطيع التكيف مع مياه البحر الصالحة للشرب، وهي مياه شديدة التوتر مقارنة بسوائل الجسم. يشار إلى الكائنات الحية مثل الأسماك الذهبية التي لا تتحمل سوى نطاق ضيق نسبيًا من الملوحة باسم ستينوهالين. حوالي 90 في المائة من جميع الأسماك العظمية تقتصر على المياه العذبة أو مياه البحر. إنهم غير قادرين على التنظيم التناضحي في البيئة المعاكسة. ومع ذلك، فمن الممكن أن تقضي بعض الأسماك مثل السلمون جزءًا من حياتها في المياه العذبة وجزءًا من مياه البحر. يشار إلى الكائنات الحية مثل السلمون والمولي التي يمكنها تحمل مجموعة واسعة نسبيًا من الملوحة باسم كائنات اليوريالين. هذا ممكن لأن بعض الأسماك طورت آليات تنظيم التناضح للبقاء على قيد الحياة في جميع أنواع البيئات المائية. عندما تعيش في المياه العذبة، تميل أجسامها إلى امتصاص الماء لأن البيئة منخفضة التوتر نسبيًا، كما هو موضح في الشكل\(\PageIndex{2}\) أ. في مثل هذه البيئات منخفضة التوتر، لا تشرب هذه الأسماك الكثير من الماء. بدلاً من ذلك، فإنها تمرر الكثير من البول المخفف جدًا، وتحقق توازن الإلكتروليت عن طريق النقل النشط للأملاح عبر الخياشيم. عندما تنتقل هذه الأسماك إلى بيئة بحرية شديدة التوتر، فإنها تبدأ في شرب مياه البحر؛ وتفرز الأملاح الزائدة من خلال خياشيمها وبولها، كما هو موضح في الشكل\(\PageIndex{2}\) (ب). من ناحية أخرى، قد تكون معظم اللافقاريات البحرية متساوية التوتر مع مياه البحر (osmoconformers). تتوافق تركيزات سوائل الجسم مع التغيرات في تركيز مياه البحر. يشبه تكوين ملح الأسماك الغضروفية في الدم الأسماك العظمية؛ ومع ذلك، فإن دم أسماك القرش يحتوي على المركبات العضوية اليوريا وأكسيد ثلاثي ميثيل أمين (TMAO). هذا لا يعني أن تركيبة الإلكتروليت الخاصة بها تشبه تركيبة مياه البحر. إنها تحقق التكافؤ مع البحر من خلال تخزين تركيزات كبيرة من اليوريا. هذه الحيوانات التي تفرز اليوريا تسمى الحيوانات اليوريتية. يعمل TMAO على استقرار البروتينات في وجود مستويات عالية من اليوريا، مما يمنع تعطل روابط الببتيد التي قد تحدث في الحيوانات الأخرى المعرضة لمستويات مماثلة من اليوريا. أسماك القرش هي أسماك غضروفية ذات غدة مستقيمية لإفراز الملح والمساعدة في تنظيم التناضح.

يُظهر الرسم التوضيحي A سمكة في بيئة المياه العذبة، حيث يتم امتصاص الماء من خلال الجلد. للتعويض، تشرب الأسماك القليل من الماء وتفرز البول المخفف. تفقد أيونات الصوديوم والبوتاسيوم والكلور من خلال الجلد، وتنقل الأسماك بنشاط هذه الأيونات نفسها إلى خياشيمها للتعويض عن هذه الخسارة. يُظهر الرسم التوضيحي B سمكة في بيئة مياه مالحة، حيث تضيع المياه من خلال الجلد. للتعويض، تشرب الأسماك كمية وافرة من الماء وتفرز البول المركز. تمتص أيونات الصوديوم والبوتاسيوم والكلور من خلال بشرتها، وتفرزها من خلال خياشيمها. — الشكل\(\PageIndex{2}\): الأسماك هي أجهزة تنظيم التناضح، ولكن يجب أن تستخدم آليات مختلفة للبقاء على قيد الحياة في (أ) المياه العذبة أو (ب) بيئات المياه المالحة. (الائتمان: تعديل العمل من قبل دوان رافر، NOAA)

الاتصال الوظيفي: فني غسيل الكلى

غسيل الكلى هو عملية طبية لإزالة النفايات والمياه الزائدة من الدم عن طريق الانتشار والترشيح الفائق. عندما تفشل وظائف الكلى، يجب إجراء غسيل الكلى لتخليص الجسم من النفايات بشكل مصطنع. هذه عملية حيوية لإبقاء المرضى على قيد الحياة. في بعض الحالات، يخضع المرضى لغسيل الكلى الاصطناعي حتى يصبحوا مؤهلين لزراعة الكلى. في الحالات الأخرى غير المرشحة لزراعة الكلى، يعد غسيل الكلى ضرورة مدى الحياة.

عادةً ما يعمل فنيو غسيل الكلى في المستشفيات والعيادات. في حين أن بعض الأدوار في هذا المجال تشمل تطوير المعدات وصيانتها، فإن معظم فنيي غسيل الكلى يعملون في الرعاية المباشرة للمرضى. تركز واجباتهم أثناء العمل، والتي تحدث عادةً تحت الإشراف المباشر لممرضة مسجلة، على توفير علاجات غسيل الكلى. يمكن أن يشمل ذلك مراجعة تاريخ المريض وحالته الحالية، وتقييم احتياجات المريض والاستجابة لها قبل العلاج وأثناءه، ومراقبة عملية غسيل الكلى. قد يشمل العلاج أخذ العلامات الحيوية للمريض والإبلاغ عنها وإعداد الحلول والمعدات لضمان الإجراءات الدقيقة والمعقمة.

ملخص

تؤثر التركيزات المذابة عبر الأغشية شبه القابلة للنفاذ على حركة الماء وتذوب عبر الغشاء. إن عدد الجزيئات المذابة وليس الحجم الجزيئي هو المهم في التناضح. يعد تنظيم التناضح والتوازن التناضحي من وظائف الجسم المهمة، مما يؤدي إلى توازن الماء والملح. لا يمكن لجميع المواد المذابة أن تمر عبر غشاء شبه منفذ. التناضح هو حركة الماء عبر الغشاء. يحدث التناضح لموازنة عدد الجزيئات المذابة عبر غشاء شبه منفذ عن طريق حركة الماء إلى جانب تركيز المذاب العالي. يستخدم الانتشار الميسر قنوات البروتين لنقل الجزيئات المذابة من المناطق ذات التركيز العالي إلى الأقل بينما تكون آليات النقل النشطة مطلوبة لتحريك المواد المذابة ضد تدرجات التركيز. تقاس الأسمولية بوحدات المكافئات المليونية أو المليوزمول، وكلاهما يأخذ في الاعتبار عدد الجسيمات الذائبة والشحنة عليها. تتكيف الأسماك التي تعيش في المياه العذبة أو المياه المالحة من خلال كونها أجهزة تنظيم التناضح أو التناضح.

مسرد المصطلحات

بالكهرباء: المذاب الذي يتحلل إلى أيونات عند إذابته في الماء

تفاضلية: عدد مولات المذاب لكل كيلوغرام من المذيب

مولاري: عدد مولات المذاب لكل لتر من المحلول

شامة: ما يعادل الوزن الجزيئي للمادة بالجرام

غير إلكتروليت: المذاب الذي لا يتحلل إلى أيونات عند إذابته في الماء

جهاز التناضح التناضدي: الكائن الحي الذي يغير لونه بناءً على بيئته

التنظيم التناضحي: آلية يتم من خلالها الحفاظ على تركيزات الماء والمذاب عند المستويات المطلوبة

منظم التناضح: كائن حي يحافظ على لونه بغض النظر عن بيئته

التوازن الاسموزي: توازن كمية الماء والملح المدخلة والمخرجات من وإلى النظام البيولوجي دون الإخلال بالضغط الأسموزي المطلوب وتركيز المذاب في كل مقصورة

الضغط الاسموزي: الضغط الذي يمارس على الغشاء لموازنة تركيز المذاب على كلا الجانبين

غشاء شبه منفذ: غشاء يسمح فقط لبعض المواد المذابة بالمرور