Plik osmoza to ukierunkowany przepływ cząstek molekularnych przez półprzepuszczalną membranę. W biologii ma kluczowe znaczenie dla regulacji bilansu wodnego w komórkach.
Co to jest osmoza?
Osmoza oznacza po grecku „penetrację”. Opisuje się go jako spontaniczne przechodzenie rozpuszczalników, takich jak woda, przez selektywnie przepuszczalną membranę. Membrana przepuszcza tylko rozpuszczalnik, ale nie rozpuszczone substancje. Selektywna dyfuzja tylko jednego składnika zapewnia równowagę potencjału chemicznego po obu stronach membrany.
Osmoza ma charakter powszechny. Szczególnie w przypadku błon biologicznych konieczna jest selektywna wymiana substancji, aby mogły zachodzić procesy transportu biologicznego. Jednak aktywne, energochłonne procesy transportu zapewniają również, że powstające biernie ciśnienie osmotyczne nie wpływa destrukcyjnie na komórkę.
Chociaż żadne odwrócenie nie jest możliwe w przypadku normalnych procesów dyfuzji, osmoza jest procesem odwracalnym.
Funkcja i zadanie
W osmozie cząsteczki roztworu lub czystego rozpuszczalnika dyfundują selektywnie przez membranę, aż potencjał chemiczny zostanie zrównoważony po obu stronach tej membrany. Na przykład stężony roztwór po drugiej stronie jest rozcieńczany przez rozpuszczalnik, aż powstające ciśnienie hydrostatyczne uniemożliwi dalszą dyfuzję.
Cząsteczki mogą migrować przez membranę, niezależnie od tego, z której strony pochodzą. Jednak zawsze bardziej prawdopodobne jest ich rozproszenie w kierunku największej różnicy potencjałów.
Gdy potencjał chemiczny jest zrównoważony, taka sama liczba cząstek migruje od lewej do prawej, jak od prawej do lewej. Więc na zewnątrz nic się już nie zmienia. Jednak w wyniku pożądanego rozcieńczenia stężonego roztworu z jednej strony zgromadziła się większa ilość cieczy, która wytworzyła wysokie ciśnienie (ciśnienie osmotyczne). Jeśli membrana nie wytrzyma już ciśnienia, komórka może zostać zniszczona.
Aktywne procesy transportu przez membranę zapewniają, że pewne substancje są usuwane za pomocą energii. Żywym przykładem procesu osmotycznego jest pęcznienie dojrzałych wiśni po dodaniu do nich wody. Woda przenika przez zewnętrzną skórkę owocu, podczas gdy cukier nie może uciec. Proces rozcieńczania w owocu trwa aż do jego pęknięcia.
W organizmie połączenie osmotycznych i aktywnych, energochłonnych procesów transportowych zapewnia płynny przebieg procesów biochemicznych w przestrzeniach oddzielonych biomembranami. Mogą istnieć komórki oddzielone od środowiska zewnętrznego, ale są z nim w ciągłej wymianie substancji.
Organelle są również obecne w komórce, w której mogą zachodzić oddzielne reakcje. Aby zapobiec wzrostowi ciśnienia osmotycznego do takiego stopnia, że biomembrana pęka, cząsteczki są wydalane w wyniku aktywnych procesów transportu.
W komórkach ssaków, gdy ciśnienie osmotyczne wzrasta, białko NFAT5 jest wytwarzane w większym stopniu. Zapewnia szereg mechanizmów przeciwdziałających, które chronią komórkę przed stresem hipertonicznym (nadciśnieniem). W tym procesie wytwarzane są białka transportowe, które wykorzystując energię, usuwają określone substancje z komórki. Między innymi substancje moczowe, takie jak glukoza i nadmiar elektrolitów, są wydalane przez nerki w celu regulacji ciśnienia osmotycznego w organizmie.
Choroby i dolegliwości
Osmoza odgrywa również ważną rolę w regulacji równowagi elektrolitowej. Elektrolity to rozpuszczone sole, które składają się z dodatnio naładowanych jonów metali, takich jak jony sodu, potasu, magnezu lub wapnia, oraz ujemnie naładowanych anionów, takich jak aniony chlorkowe, wodorowęglanowe lub fosforanowe.
Występują w różnych stężeniach w komórce (wewnątrzkomórkowe), poza komórkami (śródmiąższowe) lub w krwiobiegu (wewnątrznaczyniowe). Różnice stężeń generują napięcie elektryczne na błonach komórkowych, a tym samym wyzwalają wiele procesów na poziomie komórki. Jeśli różnice stężeń są zakłócone, cała równowaga elektrolitów jest również pomieszana.
Nerki regulują tę równowagę elektrolitową poprzez różne mechanizmy, takie jak mechanizmy pragnienia, procesy hormonalne lub peptydy, które działają na nerki. W przypadku ciężkiej biegunki, wymiotów, utraty krwi lub niewydolności nerek równowaga wodno-elektrolitowa może zostać zaburzona. Każdy elektrolit może występować w stężeniach, które są za wysokie lub za niskie.
Zaburzenia równowagi wodno-elektrolitowej czasami zagrażają życiu, w zależności od ich nasilenia. Przykłady takich stanów obejmują odwodnienie, przewodnienie, hiper- i hipowolemię (zwiększa się lub zmniejsza objętość krwi), hipo- i hipernatremię, hipo- i hiperkaliemię lub też hipo- i hiperkalcemię.
Każdy z tych warunków wymaga intensywnego leczenia. Z reguły równowaga wody i elektrolitów szybko ponownie się wyrównuje. Jeśli jednak mechanizm regulacyjny między aktywnymi procesami transportu a procesami osmotycznymi zostanie zakłócony przez niewydolność nerek lub inną chorobę, mogą wystąpić przewlekłe zaburzenia elektrolitowe. W rezultacie dochodzi do obrzęków, chorób układu krążenia, obrzęku mózgu, stanów splątania lub drgawek.
Zależności między równowagą wodno-elektrolitową a procesami biologicznymi w organizmie są tak złożone, że często obserwuje się podobne objawy w przypadku wszystkich postaci zaburzeń elektrolitowych. Określenie równowagi elektrolitowej powinno być jednym ze standardowych badań, jeśli objawy te są przewlekłe.
