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41.1: 渗透调节和渗透平衡

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    培养技能

    • 定义渗透并解释其在分子中的作用
    • 解释为什么渗透调节和渗透平衡是重要的身体功能
    • 描述主动传输机制
    • 解释渗透压及其测量方式
    • 描述渗透调节剂或 osmoconformers，以及这些工具如何让动物适应不同的环境

    渗透是指水在膜两侧分子失衡引起的渗透压作用而在膜上扩散。 渗透调节是维持体液内膜间盐分和水分平衡（渗透平衡）的过程，这些膜由水、电解质和非电解质组成。 电解质是一种溶质，溶解在水中时会分解成离子。 相比之下，非电解质在水溶解过程中不会分解成离子。 电解质和非电解质都有助于渗透平衡。 人体的液体包括血浆、细胞内的细胞溶胶和间质液，间质液存在于人体细胞和组织之间的空间中。 人体膜（例如胸膜、浆液膜和细胞膜）是半渗透膜。 半渗透膜可渗透（或允许）某些类型的溶质和水。 通过溶质和/或水在膜上的移动，半渗膜两侧的溶液往往会使溶质浓度相等。 如图所示\(\PageIndex{1}\)，由于低张或 “低盐” 环境中获得水分，置于水中的细胞往往会膨胀。 另一方面，将细胞置于盐浓度较高的溶液中，由于水分流失到高渗或 “高盐” 环境中，往往会使膜萎缩。 等渗细胞在细胞内外的溶质浓度相等；这等同于细胞膜（一种半渗透膜）两侧的渗透压。

    此插图的左侧部分显示了浸泡在高渗溶液中的萎缩红细胞。 中间部分显示健康的红细胞浸泡在等渗溶液中，右部分显示浸泡在低渗溶液中的臃肿的红细胞。 低张溶液中的一个膨胀细胞会破裂。
    图\(\PageIndex{1}\)：放置在高渗环境中的细胞往往会因为水分流失而缩小。 在低渗环境中，细胞往往会因为摄入水而肿胀。 血液维持等渗环境，因此细胞既不收缩也不肿胀。 （来源：玛丽安娜·鲁伊斯·比利亚雷尔）

    尸体不是孤立存在的。 水和电解质不断输入到系统中。 虽然渗透调节是通过体内膜实现的，但多余的电解质和废物会被输送到肾脏并排出体外，有助于维持渗透平衡。

    需要进行渗透调节

    生物系统通过消耗食物和水以及以汗液、尿液和粪便的形式排出体外，不断地与环境相互作用和交换水分和营养。 如果没有调节渗透压的机制，或者当疾病破坏了渗透压机制时，就会有积聚有毒废物和水的趋势，这可能会产生可怕的后果。

    哺乳动物系统已经进化，不仅可以调节膜间的整体渗透压，还可以调节三个主要液体隔室（血浆、细胞外液和细胞内液）中重要电解质的特定浓度。 由于渗透压受水在膜上的运动的调节，因此液体隔室的体积也可以暂时改变。 由于血浆是流体成分之一，渗透压直接影响血压。

    电解质通过细胞膜传输

    诸如氯化钠之类的电解质会在水中电离，这意味着它们会分解成其成分离子。 在水中，氯化钠（NaCl）分解成钠离子（Na +）和氯离子（Cl —）。 最重要的离子是阳离子钠 (Na +)、钾 (K +)、钙 (Ca +2)、镁 (Mg + 2) 以及阴离子氯化物 (Cl -)、碳酸盐 (CO 3 -2)）、碳酸氢盐（HCO 3 -）和磷酸盐（PO 3 -）。 在排尿和出汗时，电解质会从体内流失。 出于这个原因，鼓励运动员在活动和出汗增加的时期补充电解质和液体。

    渗透压受溶液中溶质浓度的影响。 它与溶质原子或分子的数量成正比，不依赖于溶质分子的大小。 由于电解质会分解成其成分离子，因此从本质上讲，与葡萄糖等不在水中分离的化合物，它们在溶液中添加更多的溶质颗粒，并且对每质量渗透压的影响更大。

    水可以通过被动扩散穿过膜。 如果电解质离子能够被动地在膜上扩散，则不可能在每个液体隔室中保持特定的离子浓度，因此它们需要特殊的机制才能穿过体内的半渗透膜。 这种运动可以通过便利的扩散和主动传输来完成。 促进扩散需要基于蛋白质的通道来移动溶质。 主动运输需要 ATP 转化、载体蛋白或泵等形式的能量，才能使离子在浓度梯度上移动。

    渗透压和毫等效的概念

    为了计算渗透压，有必要了解溶质浓度是如何测量的。 测量溶质的单位是摩尔。 一摩尔被定义为溶质的克分子量。 例如，氯化钠的分子量为 58.44。 因此，一摩尔氯化钠重58.44克。 溶液的摩尔浓度是每升溶液的溶质摩尔数。 溶液的摩尔量是每千克溶剂的溶质摩尔数。 如果溶剂是水，则一千克水等于一升水。 虽然摩尔浓度和摩尔浓度用于表示溶液的浓度，但电解质浓度通常以每升毫当量（meq/L）表示：meq/L 等于离子浓度（以毫摩尔为单位）乘以离子上的电荷数。 毫当量单位考虑了溶液中存在的离子（因为电解质在水溶液中形成离子）和离子上的电荷。

    因此，对于电荷为一的离子，一毫当量等于一毫摩尔。 对于电荷为二的离子（如钙），一毫当量等于 0.5 毫摩尔。 表达电解质浓度的另一个单位是毫摩尔（MoSM），即每千克溶剂的毫当量溶质数。 体液通常保持在 280 到 300 moSm 的范围内。

    渗透调节剂和 Osmoconformers

    在海上迷路而没有任何淡水可供饮用的人有严重脱水的风险，因为人体无法适应饮用海水，与体液相比，海水是高渗的。 金鱼等只能耐受相对狭窄的盐度范围的生物被称为 stenohaline。 所有骨鱼中约有90％仅限于淡水或海水。 它们无法在相反的环境中进行渗透调节。 但是，像鲑鱼这样的少数鱼类有可能在淡水中度过一生，一部分在海水中度过。 像鲑鱼和莫莉这样能够耐受相对较宽的盐度的生物被称为 euryhaline 生物。 这是可能的，因为有些鱼类已经进化出渗透调节机制，可以在各种水生环境中生存。 当它们生活在淡水中时，它们的身体往往会吸收水，因为环境相对低张力，如图\(\PageIndex{2}\) a 所示。在这种低渗环境中，这些鱼不会喝太多水。 相反，它们会通过大量非常稀释的尿液，并通过活性地将盐运送到鳃中来实现电解质平衡。 当它们迁移到高渗海洋环境时，这些鱼开始饮用海水；它们通过鳃和尿液排出多余的盐，如图\(\PageIndex{2}\) b 所示。另一方面，大多数海洋无脊椎动物可能与海水（渗透形成）等渗在一起。 它们的体液浓度符合海水浓度的变化。 软骨鱼血液中的盐成分与骨鱼类类似；但是，鲨鱼的血液中含有有机化合物尿素和三甲胺氧化物（TMAO）。 这并不意味着它们的电解质成分与海水的电解质成分相似。 它们通过储存大量的尿素来实现与海洋的等同性。 这些分泌尿素的动物被称为尿毒动物。 TMAO 在尿素水平较高的情况下稳定蛋白质，防止其他暴露于相似尿素水平的动物身上可能发生的肽键破坏。 鲨鱼是软骨鱼，有直肠腺分泌盐分，有助于渗透调节。

    插图 A 显示了淡水环境中的一条鱼，其中的水通过皮肤被吸收。 为了补偿，鱼喝少量水，排出稀释的尿液。 钠、钾和氯离子会通过皮肤流失，鱼会主动将这些离子输送到鳃中以弥补这种损失。 插图 B 显示了咸水环境中的一条鱼，那里的水会通过皮肤流失。 为了补偿，鱼喝了充足的水并排出浓缩的尿液。 它通过皮肤吸收钠、钾和氯离子，然后通过鳃将其排出体外。
    图\(\PageIndex{2}\)：鱼是渗透调节剂，但必须使用不同的机制才能在（a）淡水或（b）咸水环境中生存。 （来源：NOAA Duane Raver 对作品的修改）

    职业联系：透析技术员

    透析是一种通过扩散和超滤去血液中的废物和多余水分的医疗过程。 当肾功能失效时，必须进行透析以人为地清除体内的废物。 这是维持患者生命的重要过程。 在某些情况下，患者会接受人工透析，直到他们有资格进行肾脏移植。 在其他不是肾脏移植候选人的患者中，透析是终身必需品。

    透析技术人员通常在医院和诊所工作。 尽管该领域的一些角色包括设备开发和维护，但大多数透析技术人员从事直接患者护理工作。 他们的工作职责通常在注册护士的直接监督下进行，重点是提供透析治疗。 这可能包括审查患者病史和当前状况，评估和应对患者在治疗前和治疗期间的需求，以及监测透析过程。 治疗可能包括采集和报告患者的生命体征，以及准备解决方案和设备以确保手术的准确性和无菌性。

    摘要

    半渗透膜上的溶质浓度会影响水和溶质在膜上的移动。 渗透中重要的是溶质分子的数量，而不是分子大小。 渗透调节和渗透平衡是重要的身体机能，可实现水和盐的平衡。 并非所有溶质都能穿过半渗透膜。 渗透是水在膜上的流动。 渗透是指通过水向溶质浓度较高的一侧移动，使半渗透膜上的溶质分子数量相等。 促进扩散利用蛋白质通道将溶质分子从浓度较高的区域转移到较低的区域，而根据浓度梯度移动溶质需要活性转运机制。 渗透压以毫当量或毫摩尔为单位测量，两者都考虑了溶质颗粒的数量及其上的电荷。 生活在淡水或盐水中的鱼通过充当渗透调节剂或渗透成型剂来适应。

    词汇表

    电解质
    溶质溶解在水中时会分解成离子
    molality
    每千克溶剂的溶质摩尔数
    摩尔浓度
    每升溶液的溶质摩尔数
    内奸
    相当于物质的分子量的克当量
    非电解质
    溶质溶解在水中时不会分解成离子
    osmoconformer
    根据环境改变音调的生物
    渗透调节
    将水和溶质浓度维持在所需水平的机制
    渗透调节器
    无论环境如何都能保持其滋补性的生物
    渗透平衡
    平衡进出生物系统的水和盐量，同时不影响每个隔间所需的渗透压和溶质浓度
    渗透压
    对膜施加压力以平衡两侧的溶质浓度
    半透膜
    只允许某些溶质通过的膜