Школа дијализе (II део) – Транспортни принципи

Молекули  и  јони

Све материје у универзуму састоје се од атома, који су представници неког од 109 елемената.

Шематски, атом се састоји од позитивно наелектрисаног једра, које је окружено са облаком негативно наелектрисаних електрона. Атоми неког елемента увек имају исти позитиван набој у нуклеусу (једру).

Маса једног атома назива се његовом атомском тежином. Један обичан атом водоника, који се састоји од једра са једним позитивним наелектрисањем и једног електрона са негативним наелектрисањем, има атомску тежину 1.

Један обични атом угљеника, на таквој скали, има атомску тежину 12.

Када се два или више атома међусобно повежу један са другим, настала јединица се зове молекул.

Тежина молекула, тзв. молекулска тежина (МW), представља збир тежина атома од којих се састоји.

Пример: Израчунај молекулску тежину молекуле (H₂O) воде, која се састоји од два атома водоника (H, атомска тежина 1) и једног атома кисеоника (О, атомска маса 16).  МW(H₂O) = 2×1 + 1×16 = 18

Молекулска тежина молекуле се користи као мера њене величине. Примери за мале молекуле су вода (МW=18), угљен-диоксид (МW=44) и уреа (МW=60). Велике молекуле су, нпр. витамин Б12 (МW=1355) и протеини (МW од неколико хиљада).

Зависно од температуре, све супстанце могу постојати у неком од три агрегатна стања, која се називају чврсто, течно и гасовито агрегатно стање. Узмимо за пример воду: она може постојати као лед, течност и пара.

У чврстим материјама молекули су упаковани заједно у једну мрежу, вибрирају, али се не крећу. У течностима, молекули се котрљају један преко другог, крећу се, али не губе међусобни контакт – док у гасовима: тумбајући и сударајући се, молекули немају трајни међусобни контакт.

Неки атоми и молекуле имају снажну тенденцију да приме или изгубе наелектрисање, у виду електрона, и тако формирају јоне.

Натријум, нпр., се никада у природи не виђа као чисти натријум, већ просто егзистира као јон Натријума (Na⁺), тј. у облику у коме му недостаје један електрон.

Комбиновањем позитивно и негативно наелектрисаних јона, настају соли, чврсте материје, без икаквог спољног набоја. Добро познати пример кухињске соли (natrijum-hlorid, NaCl) која се састоји од истог броја позитивно наелектрисаних јона натријума (Na⁺) и негативно наелектрисаних јона хлора (Cl^–).

Раствори

Када мешањем различитих супстанци добијемо перфектно хомогену мешавину, за такав спој кажемо да је раствор.

Када се нпр. помешају  вода и алкохол, добије се изузетно хомогена течност. Молекули воде и алкохола се равномерно шире по посуди, обрћу се један око другог, а пропорционално су једнако заступљени у сваком делу раствора.

Чврста материја, нпр. глукоза, може бити растворена у течности, нпр. у води, и добићемо раствор.

Со такође, може бити растворена у води, и она се тада дели на своје јоне, који имају електрични набој.

Тако се раствор кухињске соли састоји од хомогене мешавине молекула воде, јона натријума и јона хлора.

Обзиром да је количина позитивно наелектрисаних јона (јона Натријума), једнака количини негативно наелектрисаних јона (јона Хлора), раствор у целини нема наелектрисање.  То је у сагласности са универзалним принципом електронеутралности: у раствору мора бити једнака количина позитивних и негативних електричних набоја.

Раствор кухињске соли има и једно специфично својство, он проводи електричну енергију, својство које се може искористити за одређивање концентрованости тог раствора.

Раствор се састоји од растварача и растворених супстанци. Разлика између њих је, у принципу, количинска: растварач је она материја која је у сувишку.

Уобичајено је да се под растворима подразумевају течни раствори. У овим случајевима растварач је течни медијум који отапа, као што је нпр. вода.

Растворене супстанце су материје отопљене у растварачу, нпр. јони као што је Na⁺ и Cl^–  или молекуле као што су уреа и глукоза.

Дијализна течност, крвна плазма и урин су примери комплексних раствора, где вода делује као растварач за мноштво растворених супстанци.

Дифузија

Молекули у смеси гасова или у раствору, никада не мирују, него вибрирају, крећу се и сударају. Ово унутрашље кретање, које не захтева спољну силу, а зависно је само од температуре, назива се Brownian–ово кретање (или равнотежа).

Као последица тога, одређена компонента раствора која је прекомерно заступљена у једном подручју, шириће се према осталим подручјима, где јој је концентрација мања.  Једноставно, све супстанце теже да се прошире што је могуће више у датом простору.

Тај феномен се назива дифузија.

У растворима, израз дифузија се користи да се опише физички процес при којем се растворене супстанце крећу из подручја где им је већа концентрација, ка подручју где им је мања концентрација, а све у циљу да се равномерно распореде, да постигну равнотежу.

Покретачка сила је концентрацијски градијент (разлика у концентрацијама), и кретање се одвија све док се не постигне равнотежа и док растворене супстанце не буду исто заступљене свугде.

Брзина дифундовања неке супстанце значајно зависи од величине те супстанце.  Веће молекуле се крећу спорије од мањих и зато је и њихова брзина дифундовања мања. Тако можемо рећи да, што је растворена супстанца већа, више ће јој требати времена да се уравнотежи у раствору.

Дифузија је веома брз процес када су у питању микронска растојања. Када су међутим, растојања већа од неколико центиметара, то је један изузетно спор процес и потребни су дани и дани,  да се концентрације изједначе.

Сада замислимо да смо формирали два одвојена одељка течности, одвојена мембраном која пропушта мале молекуле, а не пропушта велике молекуле.

Таква селективно пропустљива мембрана, означава се као полупропусна или семипермеабилна.

Даље, приметићемо да се мале супстанце крећу слободно између одељака, као да мембрана уопште не постоји.

То је процес аналоган дифузији у неком раствору без мембране, и покретачка сила је иста, разлика у концентрацијама.

Средње велике молекуле мембрана успорава, а велике супстанце остају мембраном одвојене од другог одељка.

Кретање растворених супстанци ће се одвијати све док се одржава разлика у концентрацијама. Ако се течност на страни где је мања концентрација супстанци стално мења са свежим раствором, кретање супстанци ће бити трајно.

Овај процес у којем супстанце дифундују кроз семипермеабилну мембрану, представља изворно значење речи dialysis(дијализа), иако се ова поједностављена дефиниција те речи, данас ретко користи.

Осмоза

Ако сада узмемо за пример два раствора, која су одвојена семипермеабилном мембраном.

Ти раствори су прилично различити, јер један садржи растворене супстанце, које су сувише велике да би прошле мембрану, а други садржи чисту воду.

Обзиром да растворене супстанце, због величине, не могу проћи кроз мембрану, једини начин да се ова два раствора уједначе, јесте да уместо супстанци, вода прође кроз мембрану.

Осмоза је назив физичког процеса у којем вода пролази кроз семипермеабилну мембрану из неког подручја где је већа количина (концентрација) воде (тј. мања концентрација супстанци), ка другом подручју где је мања концентрација воде (тј. већа концентрација супстанци).

Koнцентрација воде у раствору зависи од укупне концентрације растворених супстанци, независно од врсте супстанци.

Да би смо приказали укупну концентрацију честица и супстанци у неком раствору, користимо израз осмоларност (osmol/l).

Раствор од 2 mol/l глукозе има исту концетрацију воде као и раствор од 1 mol/l NaCl (1 ml/l Na⁺ + 1mol/l Cl^–). Оба ова раствора имају осмоларност од 2 osmol/l.

Висока осмоларност значи малу концентрацију воде.

Осмотски притисак је хидростатски притисак потребан да би се спречио помак воде изазван осмоларним градијентом: што је већа разлика у осмоларности, већи је и осмотски притисак.

Раствор који садржи више растворених супстанци него жива ћелија дефинише се као хипертонични; ако се ћелија налази у хипертоничном раствору вода ће излазити из ћелије у околину и ћелија ће се смањити.  Хипотонични раствор има мању концентрацију растворених супстанци него ћелија, па ћелија у хипотоничном окружењу набубри, а понекад се чак и распадне од прекомерног бубрења.

Када су концентрације растворених супстанци са обе стране мембране једнаке, такви раствори су изотонични.

Осмоза се може приметити кад год су растворене супстанце сувише крупне, па им је транспорт кроз мембрану онемогућен, или само успорен (тзв. непермеабилне супстанце).

Све док за воду постоји градијент (ступњевитост) концентрације преко мембране, вода ће тежити да се креће и да изједачи своју количину на обе стране мембране.

Ако имамо систем где растворене супстанце лако пролазе кроз мембрану, концентрације таквих раствора ће се пре изједначити дифузијом (кретањем супстанци), него кретањем воде.

Dodatak:  Реверзна осмоза (РО), је процес који се користи у пречишћавању воде, при чему је осмоза, може се рећи обрнута. Непрочишћена вода је одвојена од прочишћене, мембраном са веома малим порама. Хидростатски притисак који је већи од силе осмотског притиска, примењује се на страни са непречишћеном водом, тј. на страни са мањим садржајем воде. Тако  се вода под притиском усмерава са подручја где је има мање, на подручје где је има више, али је резултат тога високо-прочишћена вода.

Ултрафилтрација

Ултрафилтрација је физички процес при којем течност пролази кроз семипермеабилну мембрану.

Покретачка сила је градијент (разлика) притисака на странама мембране.

Градијент притиска се ствара на три различита начина.

Хидростатски притисак, створен нпр. пресом или пумпом, може бити или позитиван или негативан.

Позитиван хидростатски притисак (изнад атмосферског притиска), је потребан да би се течност потискивала кроз мембрану, а негативан хидростатски притисак (испод атмосферског притиска) је потребан да би се течност усисавала на другу страну мембране.

У хемодијализи, збир позитивног (на крвној страни) и негативног притиска (на страни дијализне течности), чини укупни градијент притиска на мембрани. Овај градијент притиска, назван трансмембраски притисак (ТМП), користи се за уклањање вишка воде.

Трећа варијанта је стварање осмотског притиска.

Додавањем супстанце веће молекулске масе, тј. непермеабилне супстанце, на ону страну мембране где се врши усисавање, течност ће се кретати из одељка који садржи већу концентрацију воде, ка одељку који има мању концентрацију воде.

Овај принцип се користи за уклањање течности у перитонеумској дијализи, а супстанца којом се ствара осмотски притисак је глукоза.

Конвекција

Претпоставимо да смо ставили коцку шећера у шољицу кафе, па ће се она растворити на дну шољице. Ако ми сада чекамо да се шећер равномерно распростре у шољици, само дифузијом, кафа ће нам се сигурно охладити.

Знамо да, ако хоћемо да брзо постигнемо равномерну распрострањеност шећера у шољи кафе, морамо (кафеном) кашичицом да промешамо кафу, да правимо кретање течности, у виду турбуленције (ковитлања).

У овом случају молекули шећера се не крећу дифузијом; они се крећу са кретањем растварача, тј. воде.

Исти феномен се виђа када неки раствор пролази кроз семипермеабилну мембрану, он повлачи собом и растворене супстанце.

Конвекција је израз који се користи за описивање кретања растворених супстанци кроз мембрану, које је изазвано кретањем растварача. Отуда израз „solvent drag“ („тегљење растварачем“).

Транспорт растворених супстанци директно је повезан са транспортом растварача, а брзина транспортовања растварача зависи од градијента притиска.

За уклањање веома крупних супстанци, за које ће брзина дифузије бити изузетно мала, конвекција је једини механизам транспорта.

Зависно од величине пора на мембрани, растворене супстанце различитих молекулских тежина ће пролазити у различитој количини.

Мале супстанце, за које мембрана није препрека, пролазиће истом брзином кроз мембрану као и течност, и њихова ће концентрација бити иста као и у првом раствору.

Међутим, за веће супстанце, мембрана ће деловати као решето (сито), и неке крупније супстанце уопште неће проћи кроз мембрану.

Расподела телесне воде

Иако људско тело изгледа прилично чврсто, у њему је више од 50% садржаја вода.

У организму просечног мушкарца, који је 175 цм висок и има 70 кг, има 42 кг воде, тј. око 60% од телесне тежине. Главни чинилац који утиче на садржај воде у људском организму јесте количина масног ткива, тј. поткожне масти.

Обзиром да масно ткиво садржи само око 20% воде, гојазне особе имају пропорционално мање воде. Због тога организам жене садржи мање воде, него организам мушкарца.

Супротно томе, организам детета садржи више воде, него организам одраслих.

Садржаји воде у људском организму се крећу од 80%, у мршавих младих особа, до 45% у гојазних жена.

Целокупна телесна течност се састоји од воде (растварача), са раствореним супстанцама, као што су соли и протеини.

Главне врсте телесних течности су:

• интраћелијска (интрацелуларна) течност, тј. цитоплазма у свим ћелијама организма.
• међућелијска (интерстицијумска) течност, или „ткивна течност“, тo јe течни медиј који окружује ћелије.
• крвна плазма, тј. течност која испуњава кардиоваскуларни систем, делује као главни транспортни пут у организму.

Остале ванћелијске течности су нпр. лимфа (крвна плазма изван крвних судова) и церебро-спинална течност (течност унутар опни које окружују мозак и кичмену мождину).

Тако, укупна телесна течност у људском организму се може поделити на:

• ћелијски (интрацелуларни) одељак, који садржи интраћелијску течност. Она чини 40% укупне телесне тежине (тј. 2/3 укупне телесне течности).
• ванћелијски (екстрацелуларни) одељак, који садржи изванћелијску течност. Она чини 20% укупне телесне тежине (тј. 1/3 укупне телесне воде).

Екстраћелијски одељак се даље може поделити на:

• интерстицијумски (међућелијски) одељак, који садржи међућелијску течност. Она која чини 15% укупне телесне тежине (тј. ¼ укупне телесне течности).
• интраваскуларни (крвносудовни) одељак, који садржи људску плазму. Крвна плазма чини 5% укупне телесне тежине (тј. 1/12 укупне телесне воде).

Сви ови одељци телесних течности одвојени су међусобно полупропусним (семипермеабилним) мембранама.

У људском организму постоји стална размена воде и растворених честица између ових одељака.

То су размене које су последица природних транспортних механизама, дифузије и осмозе, а све у циљу да се успостави одређена равнотежа у унутрашњој средини.

Електролити и запремина течности

Растворене соли, тј. електролити, чине више од 95% свих осмотски активних супстанци, у телесним течностима.

Зато су електролити од великог значаја у одржавању запремина различитих одељака телесне течности.

Натријум, Na⁺, је најважнији електролит у одржавању осмотског притиска и волумена екстрацелуларног (ванћелијског) одељка телесне течности.

Свака промена у концентрацији Na⁺, аутоматски доводи до промене осмотског притиска у одељку екстрацелуларне течности, а то онда доводи и до промене запремина, па настаје или хиповолемија (смањење волумена крви), или хиперволемија (повећање волумена крви).

Калијум, К⁺, је најважнији електролит у одржавању осмотског притиска и волумена у интрацелуларном (унутарћелијском) одељку телесне течности. Промене у количини калијума неће утицати на запремину ћелије, али ће, уместо тога, довести до поремећаја у функционисању  те ћелије.

Скоро ¾ укупне количине калијума у људском организму смештено је у мишићним ћелијама.

Ако дође до поремећаја у интраћелијској концентрацији калијума, то може имати веома озбиљне последице, као што је срчана аритмија и парализа мишића.

Обзиром да је ћелијска мембрана семипермеабилна (полупропусна), мали јони, какви су јони натријума и калијума, могу лако проћи кроз мембрану. Како је онда могуће да се одржавају различите концентрације натријума и калијума унутар и изван ћелије?

Одговор је у чињеници да постоји један механизам активног (а не пасивног) транспорта, у ћелији, који одржава ову неравнотежу (дизеквилибријум), константно пумајући Na⁺ изван ћелије, а К⁺ унутар ћелије.

Овај механизам, назван  Na⁺/К⁺ пумпа, се ензимски активира и при раду троши енергију.

У екстраћелијској течности, постоји размена воде и електролита између интерстицијумског и интраваскуларног одељка.

Главна разлика у садржајима ова два одељка, јесте постојање протеина у плазми.

Протеини плазме не могу проћи кроз капиларну мембрану и због тога делују као осмотски активне супстанце, задржавају течност у крвним судовима.

Осмотски притисак остварен протеинима плазме, назива се онкотски притисак, и износи око 20-30 mmHg.

Заједно са натријумом, протеини плазме су главни носиоци запремине плазме, тј. интраваскуларног волумена.

Дизеквилибријум (Неравнотежа)

Ако замислите да је једна стаклена посуда (пехар) подељена полупропусном (семипермеабилном) мембраном на два идентична дела и напуњена водом, показаћемо вам како настаје дизеквилибријум (стање поремећаја равнотеже), а затим и начин на који се равнотежа поново успоставља.

1. Када воду додајемо у леви одељак, формира се градијент хидростатског притиска. Обзиром да је мембрана пропусна за воду, вода ће се кретати са леве на десну страну мембране и доћи ће до изједначења хидростатских притисака, односно престанка градијента. Равнотежа је успостављена.
2. Када у растварач (воду) у левом одељку додамо извесну количину малих честица, које могу пролазити кроз мембрану, ствара се концентрацијски градијент. Обзиром да је мембрана семипермеабилна, ове мале супстанце ће пролазити (дифундовати) кроз мембрану, у десни одељак, и доћи ће до изједначавања концентрација. Равнотежа је успостављена.
3. Када се у растварач (воду) у левом одељку додају извесне количине крупнијих честица, које не могу проћи кроз мембрану, створио се осмотски градијент. Обзиром да ове супстанце не могу проћи кроз мембрану, доћи ће, уместо тога, до кретања воде из десног у леви одељак, и осмотски притисци ће се изједначити. Равнотежа је опет успостављена.

У природи је људског организма да тежи равнотежи, а главни орган за одржавање равнотеже у људском организму јесте бубрег. Када он не функционише, мора се обезбедити адекватан начин постизања равнотеже у организму, лечењем са методама за надокнадну бубрежних функција.

.

DiaBloG – ST

.

Preporučujemo i ostale lekcije iz naše mini-Škole dijalize:

Школа дијализе (I део) – Функције бубрега

Школа дијализе (III део) – Принципи дијализе

Школа дијализе (IV део) – Дијализатор

Школа дијализе (V део) – Апарат за хемодијализу

Школа дијализе (VI) део – Дијализни третман

.     .    .