Osmoza – co to jest? Fizyczne podstawy procesu, znaczenie w biologii

Osmoza jest zjawiskiem fizycznym o podstawowym znaczeniu dla organizmów żywych. Bez niej niemożliwa byłaby prawidłowa praca jelit oraz nerek. Dzięki niej w jelicie zachodzi wchłanianie wody, zaś w nerkach zagęszczanie moczu pierwotnego. Wpływa ona na sposób funkcjonowania każdej żywej komórki. Aby jednak zrozumieć czym jest osmoza, trzeba zacząć od omówienia innego fizycznego zjawiska, czyli dyfuzji.

Dyfuzja, a ruch cząsteczek

Jeżeli do szklanki z czystą wodą wrzuci się kroplę atramentu, można obserwować jak atrament powoli, stopniowo rozprzestrzenia się w roztworze. Ostatecznie, cała objętość wody uzyskuje jednolity kolor, co jest odzwierciedleniem faktu, iż stężenie atramentu wyrównuje się i w każdym obszarze szklanki staje się takie samo. Uzyskanie jednorodnego roztworu atramentu jest możliwe dzięki temu, że cząsteczki rozpuszczalnika (w tym przypadku wody) i substancji rozpuszczonej poruszają się. Jest to ruch chaotyczny, związany ze wzajemnym zderzaniem się cząsteczek i ciągłymi zmianami kierunku. Dzięki tym chaotycznym ruchom, rozpuszczana substancja może rozprzestrzenić się w roztworze. Mimo, że ruch cząsteczek jest przypadkowy i zachodzi we wszystkich kierunkach, to jednak więcej cząsteczek przemieszcza się z obszaru o wyższym stężeniu do obszaru gdzie jest ich mniej, niż w kierunku odwrotnym.

Dyfuzja, a wyrównywanie się stężeń

Artykuły dla Ciebie

Jeżeli popatrzymy na proces całościowo, to zaobserwujemy, że rozpuszczająca się substancja przemieszcza się w kierunku, gdzie jej stężenie jest mniejsze. Tak samo zachowuje się rozpuszczalnik – wypadkowy ruch cząsteczek wody następuje w kierunku, w którym stężenie atramentu jest wyższe, a równocześnie stężenie wody niższe. W ten sposób doszliśmy do istoty procesu dyfuzji. Dyfuzja jest to ruch substancji z obszaru o większym stężeniu do miejsc o mniejszym stężeniu, którego mechanizm polega na spontanicznych, losowych ruchach cząsteczek. Fachowo mówi się, że substancje przemieszczają się zgodnie z gradientem stężenia. Choć dyfuzja może wystąpić w ośrodkach o różnych stanach skupienia, najszybciej zachodzi w cieczach i gazach. Dyfuzja w tych ośrodkach ma największe znaczenie biologiczne i praktyczne.

Osmoza wymaga obecności błony półprzepuszczalnej

Odłóżmy na chwilę na bok rozważania o dyfuzji. Teraz trzeba wprowadzić kolejne pojęcie: błona półprzepuszczalna. Najogólniej, membrana półprzepuszczalna charakteryzuje się tym, że mogą przez nią przechodzić (dyfundować) pewne substancje, podczas gdy dla innych taka błona jest nieprzepuszczalna. Przykładem tego typu membran są błony dializacyjne, które są przepuszczalne dla wody i związków drobnocząsteczkowych, zaś nieprzepuszczalne dla substancji o większych cząsteczkach. Istotne jest to, że każda żywa komórka składa się z wielu błon białkowo-lipidowych. Obłoniona jest cała komórka, zaś otaczająca ją membrana nosi nazwę błony komórkowej. Kolejne obłonione, wewnątrzkomórkowe organelle to:

  • mitochondria
  • siateczka śródplazmatyczna
  • aparat Golgiego
  • jądro komórkowe
  • chloroplasty
  • wakuole
  • lizosomy

Jak widać, we wnętrzu komórki znajduje się wiele przedziałów rozdzielonych błonami białkowo-lipidowymi. Zaś błony te są typowymi błonami półprzepuszczalnymi. Jednak ich właściwości, oraz selektywność w przepuszczaniu substancji o rozmaitych cechach są dużo bardziej złożone niż to ma miejsce w przypadku celulozowych membran dializacyjnych.

Błony komórkowe jako membrany półprzepuszczalne

Błona komórkowa składa się z dwu rodzajów składników: podwójnej warstwy lipidów (głównie fosfolipidów, takich jak lecytyna) oraz białek zanurzonych w tą warstwę. Związki chemiczne o bardzo drobnych cząsteczkach mogą przeciskać się pomiędzy cząsteczkami lipidów błon biologicznych i dosyć łatwo przez nie dyfundują. Przykładem takiej substancji jest woda – swobodnie przechodzi przez błony, mimo że jako związek o polarnych cząsteczkach słabo rozpuszcza się w tłuszczach. Substancje o większych cząsteczkach mogą dyfundować przez błonę, ale tylko wtedy gdy substancja taka ma cząsteczki hydrofobowe (dobrze rozpuszczające się w tłuszczach). Glukoza jest stosunkowo dużą cząsteczką o polarnej strukturze i nie potrafi ona dyfundować przez błonę komórkową (aby się przedostać do wnętrza komórki w błonie komórkowej musi funkcjonować specjalne białko transportujące glukozę). Najgorzej przechodzą przez błony biologiczne związki, które składają się z jonów (sole). Obecność na cząstce ładunku elektrycznego bardzo ogranicza możliwość pokonania błony. Dzięki temu na błonach mogą tworzyć się gradienty stężeń jonów. Przykładowo: na zewnątrz komórki nerwowej występuje duże stężenie jonów sodu i wapnia, zaś w ich środku skoncentrowany jest potas.

No więc na czym polega ta osmoza?

Wyobraźmy sobie, że mamy rurkę wygiętą w kształt litery U. Na samym dole, na środku przedzielamy tę rurkę błoną półprzepuszczalną. Następnie po jednej stronie błony wlewamy do rurki czystą wodę, zaś po drugiej stronie umieszczamy roztwór wybranej substancji, np. cukru do herbaty (czyli sacharozy). Załóżmy, że nasza membrana półprzepuszczalna jest przenikliwa dla wody, która może swobodnie przechodzić w dowolnym kierunku. Równocześnie, przez ową membranę nie mogą przechodzić cząsteczki sacharozy. Jak będzie się zachowywał taki układ? Z powyższego rozdziału o dyfuzji wiemy, że obie substancje (woda i sacharoza) starają się przemieszczać zgodnie ze spadkiem stężenia. Jednak sacharoza nie może dyfundować przez naszą membranę, musi więc pozostać po swojej stronie rurki. Ale woda może przenikać przez membranę zgodnie z gradientem stężenia i to robi! Jej cząsteczki dyfundują przez błonę w kierunku od czystej wody do roztworu sacharozy (czyli tam gdzie stężenie wody jest mniejsze). Taka dyfuzja rozpuszczalnika (najczęściej wody) przez błonę półprzepuszczalną, wywołana obecnością substancji rozpuszczonej, nosi nazwę osmozy. Substancje, których obecność wywołuje osmozę, noszą nazwę osmotycznie czynnych.

Ciśnienie osmotyczne – miara zdolności do osmozy

Spostrzegawcze osoby zauważą zapewne, że gdy zajdzie osmoza i woda będzie przemieszczała się z jednej strony membrany półprzepuszczalne na drugą, to poziom płynu w jednym ramieniu rurki podniesie się, a w drugim obniży. To zaś sprawi, że w jednym ramieniu rurki zwiększy się ciśnienie hydrostatyczne słupa cieczy. Ruch wody przez membranę będzie trwał tak długo, aż to ciśnienie hydrostatyczne zrównoważy siłę przyciągającą cząsteczki wody przez membranę. To ciśnienie nosi nazwę ciśnienia osmotycznego roztworu. Naukowa definicja mówi, że ciśnienie osmotyczne to ciśnienie hydrostatyczne potrzebne do zrównoważenia obniżonego (przez obecność substancji rozpuszczonej) potencjału chemicznego wody w roztworze. Ponieważ ciśnienie osmotyczne pojawia się tylko w obecności błony półprzepuszczalnej, często zamiast pojęcia ciśnienie używa się określenia potencjał osmotyczny. Obydwie wartości wyrażane są w jednostkach ciśnienia. Obydwie, dla danego roztworu mają taką samą wartość, ale przeciwny znak.

Substancje osmotycznie czynne

Warto zapamiętać, że ciśnienie osmotyczne roztworu zależy od liczby (stężenia) cząsteczek substancji osmotycznie czynnej, której miarą jest stężenie molowe. Nie zależy ono natomiast od budowy i wielkości cząsteczki. Substancje osmotycznie czynne to ogromna grupa związków chemicznych, a należą do niej jony rozmaitych soli (np. soli kuchennej), cukry, aminokwasy itp. itd.. Ze względu na stężenie substancji osmotycznie czynnych wyróżnia się następujące nazewnictwo roztworów:

  • roztwór izotoniczny – ma takie samo stężenie substancji osmotycznie czynnych i ciśnienie osmotyczne jak roztwór porównywany
  • roztwór hipertoniczny – ma wyższe stężenie substancji osmotycznie czynnych i wyższe ciśnienie osmotyczne niż roztwór porównywany
  • roztwór hipotoniczny – posiada mniejsze stężenie substancji osmotycznie czynnych i mniejsze ciśnienie osmotyczne niż roztwór porównywany

Żywa komórka musi zawsze przebywać w roztworze który jest izotoniczny w stosunku do jej wnętrza. Gdy np. erytrocyty zostaną umieszczone w roztworze hipertonicznym tracą wodę na drodze osmozy i obkurczają się. Gdy umieści się je w wodzie destylowanej (roztwór hipotoniczny) woda dyfunduje do ich wnętrza, przez co pęcznieją i mogą ulec rozerwaniu. Skutkiem osmozy jest także tzw. plazmoliza, którą łatwo zaobserwować można pod mikroskopem w komórkach skórki cebuli. Gdy skórkę umieści się w 5% roztworze soli kuchennej, osmoza sprawi, że woda będzie wydostawać się z komórek na zewnątrz, a wtedy żywa część komórki (protoplast) zacznie wyraźnie odstawać od ściany komórkowej.

Osmoza – co to jest? Fizyczne podstawy procesu, znaczenie w biologii
5 (100%) 6 votes
Może ci się spodobać również

Zostaw odpowiedź

Twoj adres e-mail nie bedzie opublikowany.