- Proces
- Presiune osmotica
- Presiuni?
- Presiuni osmotice și hidrostatice
- Cum este controlat fluxul de apă în celule?
- Cuantificare
- Diferențe cu difuzia
- Ce este difuzarea?
- Osmoza este un caz particular de difuzie
- Exemple
- Schimb osmotic în pești de apă dulce
- Reabsorbția lichidelor
- Turgor în plante
- Referințe
Osmoza este un pasiv apa deplasament fenomen printr - o membrană. Aceasta poate fi o membrană celulară, un epiteliu sau o membrană artificială. Apa se deplasează dintr-o regiune cu presiune osmotică scăzută (sau unde apa este mai abundentă) în regiunea cu presiuni osmotice mai mari (sau unde apa este mai puțin abundentă).
Acest proces are relevanță biologică și orchestrează o serie de procese fiziologice, atât la animale, cât și la plante.
Sursa: OpenStax
Primul cercetător care a raportat fenomenul osmotic a fost Abbé Jean Antoine Nollet. În 1748, Nollet lucra cu membranele celulelor animale și observă că atunci când apa pură era plasată pe o parte a membranei și o soluție cu electroliți diluați pe cealaltă parte, apa se deplasa în regiune cu solutii.
Astfel, s-a descris trecerea apei în favoarea gradientului său de concentrație și a fost numită osmoză. Termenul provine de la osmosul rădăcinilor grecești, ceea ce înseamnă a împinge.
În 1877, Wilhelm Pfeller a făcut primele studii asupra presiunii osmotice. Proiectarea sa experimentală a presupus utilizarea unei „membrane” de ferocianură de cupru pe suprafața unei cupe de lut poros, dând naștere la o membrană care a permis trecerea moleculelor de apă.
Membranele artificiale ale lui Pfeller au fost suficient de puternice pentru a rezista la presiuni osmotice semnificative și a nu se prăbuși. Acest cercetător a putut să concluzioneze că presiunea osmotică este proporțională cu concentrația de solut.
Proces
Mișcarea apei printr-o membrană dintr-o zonă de concentrație scăzută la o zonă de concentrație mare se numește osmoză. Acest proces are loc dintr-o zonă cu cea mai mică presiune osmotică până la cea mai mare presiune osmotică.
La început, această afirmație poate fi confuză - și chiar contradictorie. Suntem obișnuiți să trecem de la o mișcare „mare până la mică”. De exemplu, căldura poate fi de la temperaturi ridicate până la scăzute, glucoza difuză de la regiuni cu concentrație ridicată la zone mai puțin concentrate și așa mai departe.
După cum am menționat, apa care se confruntă cu fenomenul de osmoză trece de la presiuni joase la presiuni mari. Acest lucru se întâmplă deoarece apa este mai abundentă pe unitatea de volum, unde solutul este mai puțin abundent.
Adică, în timpul osmozei, apa se deplasează acolo unde ea (apa) este mai abundentă până unde este mai puțin abundentă. Prin urmare, fenomenul trebuie înțeles din perspectiva apei.
Este important să ne amintim că osmoza guvernează mișcarea apei prin membrane și nu afectează direct mișcarea solutelor. Când soluțiile difuzează, acestea o fac urmărind gradienți ai propriei concentrații chimice. Doar apa respectă gradientul de concentrație al presiunii osmotice.
Presiune osmotica
Presiuni?
Unul dintre aspectele cele mai confuze când vine vorba de înțelegerea procesului de osmoză este utilizarea presiunilor cuvântului. Pentru a evita confuzia, este important să clarificăm că o soluție nu exercită singură o presiune hidrostatică datorită presiunii osmotice.
De exemplu, o soluție de glucoză de 1 M are o presiune osmotică de 22 atm. Cu toate acestea, soluția nu „explodează” sticlele de sticlă și poate fi păstrată în același mod ca apa pură, deoarece o soluție izolată nu se traduce prin presiune hidrostatică.
Termenul de presiuni este folosit doar din cauza unui accident istoric, deoarece primii oameni de știință care au studiat aceste fenomene au fost fizice și chimice.
Astfel, dacă două soluții care diferă în presiunile lor osmotice sunt separate de o membrană, se va crea o presiune hidrostatică.
Presiuni osmotice și hidrostatice
Procesul de osmoză duce la formarea unei presiuni hidrostatice. Diferența de presiune duce la creșterea nivelului soluției mai concentrate, deoarece apa se difuzează în ea. Creșterea nivelului apei continuă până când rata netă a mișcării apei este egală cu zero.
Un flux net este obținut atunci când presiunea hidrostatică din compartimentul II este suficientă pentru a forța moleculele de apă înapoi în comportamentul I, în același ritm în care osmoza determină mutarea moleculelor din compartimentul I la II.
Presiunea apei care determină retragerea particulelor (din compartimentele I până la II) se numește presiunea osmotică a soluției din compartimentul II.
Cum este controlat fluxul de apă în celule?
Datorită fenomenului osmotic, apa se poate deplasa pasiv prin membranele celulare. Istoric, se știe că animalele nu au un sistem de transport activ al apei pentru a controla fluxul acestei substanțe.
Totuși, sistemele active de transport de solutii pot schimba direcția mișcării apei într-o direcție favorabilă. În acest fel, transportul activ al solutilor este o modalitate prin care animalele își folosesc energia metabolică pentru a controla direcția de transport a apei.
Cuantificare
Există formule matematice care permit măsurarea vitezei cu care apa va traversa membranele prin osmoză. Ecuația pentru calcularea acesteia este următoarea:
Viteza de transport osmotic al apei = K (Π 1 –Π 2 / X). Unde Π 1 și Π 2 sunt presiunile osmotice ale soluțiilor de pe ambele părți ale membranei și X este distanța care le separă.
Relația (Π 1 –Π 2 / X) este cunoscută sub denumirea de gradient de presiune osmotică sau gradient osmotic.
Ultimul termen din ecuație este K este coeficientul de proporționalitate care depinde de temperatură și de permeabilitatea membranei.
Diferențe cu difuzia
Ce este difuzarea?
Difuzia apare prin mișcarea termică aleatorie a moleculelor dizolvate sau suspendate, ceea ce determină dispersia acestora din regiunile cu concentrații mari până la cele mai mici. Rata de difuzie poate fi calculată cu ajutorul ecuației Fick.
Este un proces exergonic datorită creșterii entropiei reprezentate de distribuția aleatorie a moleculelor.
În cazul în care substanța este electrolitică, trebuie să se țină seama de diferența totală de încărcare între cele două compartimente - pe lângă concentrații.
Osmoza este un caz particular de difuzie
Difuzia și osmoza nu sunt termeni opoziți, cu atât mai puțin concepte care se exclud reciproc.
Moleculele de apă au capacitatea de a se deplasa rapid prin membranele celulare. După cum am explicat, acestea difuză de la o regiune de concentrație scăzută de solut la una de concentrație mare într-un proces numit osmoză.
Ni se pare ciudat să vorbim despre „concentrație de apă”, dar această substanță se comportă ca orice altă substanță. Adică difuzează în favoarea gradientului său de concentrare.
Cu toate acestea, unii autori folosesc termenul de „difuzare a apei” ca sinonim pentru osmoză. Aplicarea ei literal la sistemele biologice poate fi greșită, deoarece s-a demonstrat că rata osmozei prin membranele biologice este mai mare decât cea așteptată de un simplu proces de difuzie.
În unele sisteme biologice, apa trece prin difuzie simplă prin membrana celulară. Cu toate acestea, unele celule au canale speciale pentru trecerea apei. Cele mai importante sunt numite aquaporine, crescând viteza de curgere a apei prin membrană.
Exemple
În cadrul sistemelor biologice, mișcarea apei prin membranele celulare este crucială pentru înțelegerea a zeci de procese fiziologice. Câteva exemple sunt:
Schimb osmotic în pești de apă dulce
Un exemplu interesant al rolului osmozei la animale este schimbul de apă care are loc la peștii care trăiesc în ape dulci.
Animalele care locuiesc în corpuri de apă dulce se află într-un aport constant de apă din râu sau iaz unde trăiesc în corpul lor, deoarece concentrația plasmei din sânge și a altor fluide corporale au o concentrație mult mai mare decât cea a apei. .
Specia de pește Carassius auratus trăiește în medii cu apă dulce. Un individ care are o masă de 100 de grame poate câștiga aproximativ 30 de grame de apă pe zi datorită mișcării apei în interiorul corpului său. Peștii au sisteme - costisitoare din punct de vedere energetic - pentru a scăpa continuu de excesul de apă.
Reabsorbția lichidelor
În sistemul gastrointestinal al animalelor, fenomenul de osmoză trebuie să apară pentru ca acesta să funcționeze corect. Tractul digestiv secretă o cantitate semnificativă de lichid (în ordinea litrilor) care trebuie reabsorbită prin osmoză de către celulele care aliniază intestinele.
În cazul în care acest sistem nu își desfășoară activitatea, pot apărea evenimente severe de diaree. Prelungirea acestei defecțiuni poate duce la deshidratarea pacientului.
Turgor în plante
Volumul de apă din interiorul celulelor depinde de concentrația atât a mediului intern, cât și extern, iar fluxul este orchestrat de fenomenele de difuzie și osmoză.
Dacă o celulă animală (cum ar fi un eritrocit) este plasată într-un mediu care permite intrarea apei, ar putea izbucni. În schimb, celulele vegetale au un perete care le protejează de stresul osmotic.
De fapt, plantele non-lemnoase profită de această presiune generată de intrarea pasivă a apei. Această presiune ajută la menținerea diferitelor organe vegetale, cum ar fi frunzele, turgide. Imediat ce apa începe să curgă din celule, celula își pierde turgiditatea și se usucă.
Referințe
- Cooper, GM, Hausman, RE, & Hausman, RE (2000). Celula: o abordare moleculară. Presă ASM.
- Eckert, R., Randall, R., & Augustine, G. (1988). Fiziologia animalelor: mecanisme și adaptări. WH Freeman & Co.
- Hill, RW, Wyse, GA, Anderson, M., și Anderson, M. (2004). Fiziologia animalelor. Asociații Sinauer.
- Karp, G. (2009). Biologie celulară și moleculară: concepte și experimente. John Wiley & Sons.
- Pollard, TD, Earnshaw, WC, Lippincott-Schwartz, J., & Johnson, G. (2016). Biologie celulară Carte electronică. Științele sănătății Elsevier
- Schmidt-Nielsen, K. (1997). Fiziologia animalelor: adaptare și mediu. Presa universitară din Cambridge.