OSMÓZA: PROCES, TYPY, ROZDIELY S DIFÚZIOU A PRÍKLADY - BIOLÓGIE - 2024

Osmóza je pasívny jav výtlak vody cez membránu. Môže to byť bunková membrána, epitel alebo umelá membrána. Voda sa pohybuje z oblasti s nízkym osmotickým tlakom (alebo tam, kde je voda hojnejšia) do oblasti s vyššími osmotickými tlakmi (alebo tam, kde je voda menej hojná).

Tento proces má biologický význam a organizuje celý rad fyziologických procesov, a to tak u zvierat, ako aj u rastlín.

Zdroj: OpenStax

Prvým výskumníkom, ktorý informoval o osmotickom fenoméne, bol Abbé Jean Antoine Nollet. V roku 1748 Nollet pracoval so živočíšnymi bunkovými membránami a všimol si, že keď sa na jednu stranu membrány umiestnila čistá voda a na druhej strane roztok so zriedenými elektrolytmi, voda sa presunula do oblasti s rozpustenými látkami.

Bol teda opísaný priechod vody v prospech jej koncentračného gradientu a nazýva sa osmóza. Termín pochádza z gréckych koreňov osmos, čo znamená tlačiť.

V roku 1877 urobil Wilhelm Pfeller prvé štúdie o osmotickom tlaku. Jeho experimentálny návrh zahŕňal použitie „membrány“ ferokyanidu medi na povrchu porézneho hlineného pohárika, čo viedlo k vzniku membrány, ktorá umožňovala prechod molekúl vody.

Umelé membrány spoločnosti Pfeller boli dostatočne silné, aby vydržali významné osmotické tlaky a nezrútili sa. Tento výskumný pracovník bol schopný dospieť k záveru, že osmotický tlak je úmerný koncentrácii rozpustenej látky.

proces

Pohyb vody cez membránu z oblasti s nízkou koncentráciou do oblasti s vysokou koncentráciou sa nazýva osmóza. Tento proces nastáva od oblasti s najnižším osmotickým tlakom k najvyššiemu osmotickému tlaku.

Spočiatku môže byť toto tvrdenie mätúce - a dokonca protirečivé. Sme zvyknutí na pasívny pohyb „od vysokého po nízky“. Napríklad teplo môže byť od vysokých po nízke teploty, glukóza difunduje z oblastí s vysokou koncentráciou do menej koncentrovaných oblastí atď.

Ako sme už spomenuli, voda, ktorá zažije jav osmózy, sa pohybuje od nízkych tlakov k vysokým tlakom. K tomu dochádza preto, že voda je hojnejšia na jednotku objemu, kde je rozpustnosť menej hojná.

To znamená, že počas osmózy sa voda pohybuje tam, kde je (voda) hojnejšia tam, kde je menej hojná. Preto je potrebné tento jav chápať z hľadiska vody.

Je dôležité si uvedomiť, že osmóza riadi pohyb vody cez membrány a nemá priamy vplyv na pohyb rozpustených látok. Keď rozpúšt'adlá rozptyľujú, robia to sledovaním gradientov svojej vlastnej chemickej koncentrácie. Koncentračný gradient osmotického tlaku sleduje iba voda.

Osmotický tlak

Tlaky?

Jedným z najviac mätúcich aspektov, pokiaľ ide o pochopenie procesu osmózy, je použitie slova tlaky. Aby sa predišlo nejasnostiam, je dôležité objasniť, že samotné riešenie nevyvoláva hydrostatický tlak kvôli svojmu osmotickému tlaku.

Napríklad 1 M roztok glukózy má osmotický tlak 22 atm. Roztok však „nevybuchuje“ sklenené fľaše a môže sa skladovať rovnakým spôsobom ako čistá voda, pretože izolovaný roztok sa nepremení na hydrostatický tlak.

Termín tlaky sa používa iba kvôli historickej nehode, pretože prví vedci, ktorí študovali tieto javy, boli fyzikálni a chemickí.

Ak sú teda dve riešenia, ktoré sa líšia vo svojich osmotických tlakoch, oddelené membránou, vytvorí sa hydrostatický tlak.

Osmotické a hydrostatické tlaky

Proces osmózy vedie k vytvoreniu hydrostatického tlaku. Rozdiel v tlaku vedie k zvýšeniu hladiny koncentrovanejšieho roztoku, pretože voda do neho difunduje. Stúpanie hladiny vody pokračuje, kým sa čistá rýchlosť pohybu vody rovná nule.

Čistý prietok sa dosiahne, keď je hydrostatický tlak v kompartmente II dostatočný na to, aby donútil molekuly vody späť k správaniu I, rovnakou rýchlosťou, ako osmóza spôsobuje, že sa molekuly pohybujú z kompartmentu I do II.

Tlak vody, ktorý spôsobuje častice, aby ustúpil (z kompartmentov I až II), sa nazýva osmotický tlak roztoku v kompartmente II.

Ako je riadený tok vody v bunkách?

Vďaka osmotickému javu sa voda môže pasívne pohybovať cez bunkové membrány. Z historického hľadiska je známe, že zvieratá nemajú aktívny vodný dopravný systém na reguláciu toku tejto látky.

Aktívne systémy na prepravu rozpustených látok však môžu zmeniť smer pohybu vody priaznivým smerom. Týmto spôsobom je aktívny transport rozpustenej látky jedným zo spôsobov, ako zvieratá využívajú svoju metabolickú energiu na riadenie smeru vodnej dopravy.

kvantifikácia

Existujú matematické vzorce, ktoré umožňujú meranie rýchlosti, ktorou voda prechádza cez membrány osmózou. Rovnica na jej výpočet je nasledovná:

Osmotická rýchlosť prepravy vody = K (Π ₁ –Π ₂ / X). Kde Π ₁ a Π ₂ sú osmotické tlaky roztokov na oboch stranách membrány a X je vzdialenosť, ktorá ich oddeľuje.

Vzťah (Π ₁ –Π ₂ / X) je známy ako gradient osmotického tlaku alebo osmotický gradient.

Posledný člen v rovnici je K je koeficient proporcionality, ktorý závisí od teploty a priepustnosti membrány.

Rozdiely s difúziou

Čo je vysielanie?

K difúzii dochádza náhodným tepelným pohybom rozpustených alebo suspendovaných molekúl, čo spôsobuje ich rozptýlenie z oblastí s vysokou koncentráciou na najnižšiu. Rýchlosť difúzie sa môže vypočítať pomocou Fickovej rovnice.

Je to exergonický proces v dôsledku zvýšenia entropie predstavovanej náhodnou distribúciou molekúl.

V prípade, že ide o elektrolytickú látku, je potrebné zohľadniť okrem koncentrácií aj celkový rozdiel v náboji medzi dvoma oddeleniami.

Osmóza je zvláštnym prípadom difúzie

Difúzia a osmóza nie sú v protiklade s pojmami, ktoré sú oveľa menej vzájomne sa vylučujúce.

Molekuly vody majú schopnosť rýchlo sa pohybovať cez bunkové membrány. Ako sme vysvetlili, difundujú z oblasti s nízkou koncentráciou rozpustenej látky do oblasti s vysokou koncentráciou v procese nazývanom osmóza.

Zdá sa nám zvláštne hovoriť o „koncentrácii vody“, ale táto látka sa správa ako každá iná látka. To znamená, že sa šíri v prospech svojho gradientu koncentrácie.

Niektorí autori však používajú výraz „difúzia vody“ ako synonymum pre osmózu. Jeho doslovné použitie v biologických systémoch môže byť nesprávne, pretože sa ukázalo, že miera osmózy cez biologické membrány je vyššia, ako by sa očakávalo pri jednoduchom difúznom procese.

V niektorých biologických systémoch voda prechádza jednoduchou difúziou cez bunkovú membránu. Niektoré bunky však majú špeciálne kanály na priechod vody. Najdôležitejšie sa nazývajú aquaporíny, ktoré zvyšujú rýchlosť prietoku vody cez membránu.

Príklady

V biologických systémoch je pohyb vody cez bunkové membrány rozhodujúci pre pochopenie desiatok fyziologických procesov. Niektoré príklady sú:

Osmotická výmena sladkých rýb

Zaujímavým príkladom úlohy osmózy u zvierat je výmena vody, ktorá sa vyskytuje u rýb, ktoré žijú v sladkých vodách.

Zvieratá, ktoré obývajú telá sladkej vody, dostávajú neustále vodu z rieky alebo rybníka, kde žijú do svojich tiel, pretože koncentrácia krvnej plazmy a iných telesných tekutín je oveľa vyššia ako koncentrácia vody. ,

Druh Carassius auratus žije v sladkovodných prostrediach. Jednotlivec, ktorý má hmotnosť 100 gramov, môže vďaka pohybu vody vo svojom tele získať okolo 30 gramov vody denne. Ryby majú systémy - energeticky drahé - aby sa neustále zbavovali prebytočnej vody.

Reabsorpcia tekutín

V gastrointestinálnom systéme zvierat musí dôjsť k javu osmózy, aby správne fungoval. Tráviaci trakt vylučuje významné množstvo tekutiny (rádovo v litroch), ktorá musí byť absorbovaná osmózou bunkami, ktoré lemujú črevá.

V prípade, že tento systém nevykonáva svoju činnosť, môžu sa vyskytnúť závažné hnačky. Predĺženie tejto poruchy môže viesť k dehydratácii pacienta.

Turgor v rastlinách

Objem vody vo vnútri buniek závisí od koncentrácie vnútorného aj vonkajšieho prostredia a tok je riadený javmi difúzie a osmózy.

Ak sa živočíšna bunka (napríklad erytrocyt) umiestni do média, ktoré podporuje vstup vody, mohla by prasknúť. Naopak, rastlinné bunky majú stenu, ktorá ich chráni pred osmotickým stresom.

V skutočnosti dreviny, ktoré nie sú drevinami, využívajú tento tlak spôsobený pasívnym vstupom vody. Tento tlak pomáha udržiavať rôzne rastlinné orgány, ako sú listy, turgidy. Hneď ako z buniek vyteká voda, bunka stráca svoju turgiditu a vädne.

Referencie

1. Cooper, GM, Hausman, RE a Hausman, RE (2000). Bunka: molekulárny prístup. ASM stlačte.
2. Eckert, R., Randall, R., & Augustine, G. (1988). Fyziológia zvierat: mechanizmy a úpravy. WH Freeman & Co.
3. Hill, RW, Wyse, GA, Anderson, M. & Anderson, M. (2004). Fyziológia zvierat. Sinauer Associates.
4. Karp, G. (2009). Bunková a molekulárna biológia: koncepty a experimenty. John Wiley a synovia.
5. Pollard, TD, Earnshaw, WC, Lippincott-Schwartz, J. & Johnson, G. (2016). Cell Biology E-Book. Elsevier Health Sciences.
6. Schmidt-Nielsen, K. (1997). Fyziológia zvierat: adaptácia a prostredie. Cambridge University Press.