41.1 Osmósustjórnun og osmósuefnajafnvægi

Markmið

Í lok þessa hluta munt þú geta gert eftirfarandi:

• Skilgreina osmósu og útskýra hlutverk hennar í líkamanum
• Útskýra hvers vegna osmósustjórnun og osmósuefnajafnvægi eru mikilvæg líkamsstarfsemi
• Lýsa ferlum virks flutnings
• Útskýra osmósuþéttni og hvernig hún er mæld
• Lýsa osmósustjórum eða osmósufylgjum og hvernig þessar leiðir gera dýrum kleift að aðlagast mismunandi umhverfi

Osmósa er flæði vatns yfir himnu vegna osmótísks þrýstings sem myndast þegar sameindir eru í ójöfnum styrk sitt hvorum megin við himnuna. Osmósustjórnun er ferlið sem viðheldur salt- og vatnsjafnvægi, eða osmósuefnajafnvægi, yfir himnur í líkamsvökvum. Líkamsvökvar eru vatn ásamt rafvökum og órafvökum. Rafvaki er uppleyst efni sem klofnar í jónir þegar það leysist upp í vatni. Hins vegar klofnar órafvaki ekki í jónir þegar hann leysist upp í vatni. Bæði rafvakar og órafvakar stuðla að osmósuefnajafnvægi. Líkamsvökvar eru meðal annars blóðvökvi, umfrymi frumna og millifrumuvökvi, það er vökvinn í rýmunum milli frumna og vefja líkamans. Himnur líkamans, til dæmis fleiðruhimnur, vessahimnur og frumuhimnur, eru valgegndræpar himnur. Valgegndræpar himnur hleypa ákveðnum gerðum uppleystra efna og vatni í gegn. Lausnir sitt hvorum megin við valgegndræpa himnu hafa tilhneigingu til að jafna styrk uppleystra efna með flutningi uppleystra efna og/eða vatns yfir himnuna. Eins og sést á Mynd 41.2 hefur fruma í vatni tilhneigingu til að tútna út vegna vatnsupptöku úr undirþrýstnu, eða saltsnauðu, umhverfi. Fruma í lausn með hærri saltstyrk hefur hins vegar tilhneigingu til að skreppa saman vegna vatnstaps út í yfirþrýstið, eða saltríkt, umhverfi. Í jafnþrýstnu umhverfi er styrkur uppleystra efna jafn innan og utan frumunnar; það jafnar osmótískan þrýsting beggja vegna frumuhimnunnar, sem er valgegndræp himna.

Líkaminn er ekki einangraður. Vatn og rafvakar berast stöðugt inn í kerfið. Þótt osmósustjórnun fari fram yfir himnur innan líkamans eru umframrafvakar og úrgangsefni flutt til nýrnanna og skilin út, sem hjálpar til við að viðhalda osmósuefnajafnvægi.

Þörf fyrir osmósustjórnun

Líffræðileg kerfi eru í stöðugum samskiptum við umhverfið og skiptast á vatni og næringarefnum við það með neyslu fæðu og vatns og með útskilnaði í formi svita, þvags og saurs. Án kerfis sem stjórnar osmótískum þrýstingi, eða þegar sjúkdómur skemmir slíkt kerfi, geta eitruð úrgangsefni og vatn safnast upp, sem getur haft alvarlegar afleiðingar.

Kerfi spendýra hafa þróast til að stjórna ekki aðeins heildarosmótískum þrýstingi yfir himnur heldur einnig tilteknum styrk mikilvægra rafvaka í þremur helstu vökvahólfum: blóðvökva, utanfrumuvökva og innanfrumuvökva. Þar sem osmótískum þrýstingi er stjórnað með flutningi vatns yfir himnur getur rúmmál vökvahólfanna einnig breyst tímabundið. Þar sem blóðvökvi er einn vökvaþáttanna hefur osmótískur þrýstingur bein áhrif á blóðþrýsting.

Flutningur rafvaka yfir frumuhimnur

Rafvakar, til dæmis natríumklóríð, jónast í vatni; það þýðir að þeir klofna í jónir sínar. Í vatni klofnar natríumklóríð (NaCl) í natríumjón (Na⁺) og klóríðjón (Cl⁻). Mikilvægustu jónirnar, en styrk þeirra er stjórnað mjög nákvæmlega í líkamsvökvum, eru katjónirnar natríum (Na⁺), kalíum (K⁺), kalsíum (Ca²⁺) og magnesíum (Mg²⁺) og anjónirnar klóríð (Cl⁻), karbónat (CO₃²⁻), bíkarbónat (HCO₃⁻) og fosfat (PO₄³⁻). Rafvakar tapast úr líkamanum við þvaglát og svitamyndun. Af þessum sökum er íþróttafólki ráðlagt að bæta upp rafvaka og vökva á tímabilum aukinnar áreynslu og svitamyndunar.

Osmótískur þrýstingur ræðst af styrk uppleystra efna í lausn. Hann er í beinu hlutfalli við fjölda atóma eða sameinda uppleysta efnisins og er ekki háður stærð sameindanna. Þar sem rafvakar klofna í jónir sínar bæta þeir í raun fleiri uppleystum ögnum við lausnina og hafa því meiri áhrif á osmótískan þrýsting miðað við massa en efnasambönd sem klofna ekki í vatni, svo sem glúkósi.

Vatn getur farið í gegnum himnur með óvirku flæði. Ef rafvökajónir gætu flætt óvirkt yfir himnur væri ómögulegt að viðhalda ákveðnum jónastyrk í hverju vökvahólfi; því þurfa þær sérstök kerfi til að komast yfir valgegndræpar himnur líkamans. Þessi flutningur getur farið fram með auðvelduðu flæði og virkum flutningi. Auðveldað flæði krefst próteinganga sem flytja uppleysta efnið. Virkur flutningur krefst orku, til dæmis úr ATP-umbreytingu, og notar ferjuprótein eða dælur til að flytja jónir gegn styrkfallanda.

Hugtökin osmósuþéttni og millijafngildi

Til að reikna osmótískan þrýsting þarf að skilja hvernig styrkur uppleystra efna er mældur. Mælieining uppleystra efna er mól. Eitt mól er skilgreint sem mólmassi uppleysta efnisins í grömmum. Til dæmis er mólmassi natríumklóríðs 58,44. Eitt mól af natríumklóríði vegur því 58,44 grömm. Mólstyrkur lausnar er fjöldi móla uppleysts efnis í hverjum lítra lausnar. Mólalstyrkur lausnar er fjöldi móla uppleysts efnis í hverju kílógrammi leysis. Ef leysirinn er vatn jafngildir eitt kílógramm af vatni einum lítra af vatni. Þótt mólstyrkur og mólalstyrkur séu notaðir til að lýsa styrk lausna er styrkur rafvaka yfirleitt gefinn upp sem millijafngildi á lítra (mEq/L): mEq/L jafngildir jónastyrknum í millimólum margfölduðum með fjölda rafhleðslna jónarinnar. Einingin millijafngildi tekur mið af jónunum sem eru í lausninni, þar sem rafvakar mynda jónir í vatnslausnum, og hleðslu jónanna.

Fyrir jónir með eina hleðslu jafngildir eitt millijafngildi einu millimóli. Fyrir jónir með tvær hleðslur, til dæmis kalsíum, jafngildir eitt millijafngildi 0,5 millimólum. Önnur eining til að lýsa styrk rafvaka er milliosmól (mOsm), sem er fjöldi millijafngilda uppleysts efnis í hverju kílógrammi leysis. Líkamsvökvum er yfirleitt haldið á bilinu 280 til 300 mOsm.

Osmósustjórar og osmósufylgjar

Fólk sem villist á sjó án ferskvatns til drykkjar er í hættu á alvarlegri ofþornun vegna þess að mannslíkaminn getur ekki aðlagast því að drekka sjó, sem er yfirþrýstinn miðað við líkamsvökva. Lífverur eins og gullfiskar, sem þola aðeins tiltölulega þröngt seltubil, kallast þröngseltar. Um 90 prósent allra beinfiska eru bundin annaðhvort við ferskvatn eða sjó. Þeir geta ekki stundað osmósustjórnun í hinu umhverfinu. Nokkrar fisktegundir, til dæmis lax, geta þó varið hluta ævinnar í ferskvatni og hluta í sjó. Lífverur eins og lax og molly-fiskar, sem þola tiltölulega breitt seltubil, kallast víðseltar lífverur. Þetta er mögulegt vegna þess að sumir fiskar hafa þróað osmósustjórnunarkerfi sem gera þeim kleift að lifa í margs konar vatnsumhverfi. Þegar þeir lifa í ferskvatni hafa líkamar þeirra tilhneigingu til að taka upp vatn vegna þess að umhverfið er tiltölulega undirþrýstið, eins og sýnt er á Mynd 41.3a. Í slíku undirþrýstnu umhverfi drekka þessir fiskar lítið vatn. Þess í stað losa þeir mikið magn af mjög þunnu þvagi og halda rafvökajafnvægi með virkum flutningi salta um tálknin. Þegar þeir flytjast í yfirþrýstið sjávarumhverfi byrja þessir fiskar að drekka sjó; þeir skilja út umframsölt um tálkn og með þvagi, eins og sýnt er á Mynd 41.3b. Flest sjávarhryggleysingjar geta hins vegar verið jafnþrýstnir sjónum og fylgja osmósuþéttni umhverfisins. Styrkur líkamsvökva þeirra fylgir breytingum á styrk sjávar. Saltsamsetning blóðs brjóskfiska er svipuð og hjá beinfiskum, en blóð hákarla inniheldur lífrænu efnasamböndin þvagefni og trímetýlamínoxíð (TMAO). Það þýðir ekki að rafvakasamsetning þeirra sé svipuð og í sjó. Þeir verða jafnþrýstnir sjónum með því að geyma mikinn styrk þvagefnis. Dýr sem skilja út þvagefni kallast þvagefnisskiljandi dýr. TMAO stöðgar prótein þegar styrkur þvagefnis er mikill og kemur í veg fyrir röskun peptíðtengja sem yrði hjá öðrum dýrum við sambærilegan styrk þvagefnis. Hákarlar eru brjóskfiskar með endaþarmskirtil sem skilur út salt og hjálpar við osmósustjórnun.

Tenging við starfsferil

Skilunartæknir

Skilun er læknisfræðilegt ferli þar sem úrgangsefni og umframvatn eru fjarlægð úr blóði með flæði og ofursíun. Þegar nýrnastarfsemi bregst þarf að nota skilun til að losa líkamann við úrgangsefni með gerviaðferð. Þetta er lífsnauðsynlegt ferli sem heldur sjúklingum á lífi. Í sumum tilvikum gangast sjúklingar undir skilun þar til þeir verða hæfir til nýrnaígræðslu. Hjá öðrum, sem koma ekki til greina fyrir nýrnaígræðslu, er skilun lífsnauðsynleg alla ævi.

Skilunartæknar starfa yfirleitt á sjúkrahúsum og heilsugæslustöðvum. Þótt sum störf á þessu sviði feli í sér þróun og viðhald búnaðar vinna flestir skilunartæknar við beina umönnun sjúklinga. Dagleg verkefni þeirra, sem fara yfirleitt fram undir beinni umsjón hjúkrunarfræðings, snúast um að veita skilunarmeðferð. Í því getur falist að fara yfir sjúkrasögu og núverandi ástand sjúklings, meta þarfir hans og bregðast við þeim fyrir og meðan á meðferð stendur og fylgjast með skilunarferlinu. Meðferð getur meðal annars falið í sér að mæla og skrá lífsmörk sjúklings og undirbúa lausnir og búnað til að tryggja nákvæm og sæfð vinnubrögð.