OSMOSE: PROCES, TYPEN, VERSCHILLEN MET DIFFUSIE EN VOORBEELDEN - BIOLOGIE - 2026

De osmose is een passief fenomeen waarbij water door een membraan wordt verplaatst. Dit kan een celmembraan zijn, een epitheel of een kunstmatig membraan. Water beweegt van een gebied met lage osmotische druk (of waar water overvloediger is) naar het gebied met hogere osmotische druk (of waar water minder overvloedig is).

Dit proces is van biologisch belang en orkestreert een reeks fysiologische processen, zowel bij dieren als bij planten.

Bron: OpenStax

De eerste onderzoeker die het osmotische fenomeen rapporteerde, was abbé Jean Antoine Nollet. In 1748 werkte Nollet met celmembranen van dieren en merkte dat wanneer zuiver water aan de ene kant van het membraan werd geplaatst en een oplossing met verdunde elektrolyten aan de andere kant, het water in het gebied met opgeloste stoffen terechtkwam.

Zo werd de passage van water ten gunste van de concentratiegradiënt beschreven en dit werd osmose genoemd. De term komt van de Griekse roots osmos, wat duwen betekent.

In 1877 deed Wilhelm Pfeller de eerste studies over osmotische druk. Zijn experimentele ontwerp omvatte het gebruik van een koperferrocyanide "membraan" op het oppervlak van een poreuze kleibeker, waardoor een membraan ontstond dat de doorgang van watermoleculen mogelijk maakte.

De kunstmatige membranen van Pfeller waren sterk genoeg om aanzienlijke osmotische drukken te weerstaan ​​en niet in te storten. Deze onderzoeker kon concluderen dat de osmotische druk evenredig is met de opgeloste stofconcentratie.

Werkwijze

De beweging van water door een membraan van een gebied met een lage concentratie naar een gebied met een hoge concentratie wordt osmose genoemd. Dit proces vindt plaats van een gebied met de laagste osmotische druk tot de hoogste osmotische druk.

In het begin kan deze verklaring verwarrend zijn - en zelfs tegenstrijdig. We zijn gewend aan passieve bewegingen van "hoog naar laag". Warmte kan bijvoorbeeld van hoge naar lage temperaturen zijn, glucose diffundeert van gebieden met een hoge concentratie naar minder geconcentreerde gebieden, enzovoort.

Zoals we al zeiden, beweegt het water dat het fenomeen osmose ondergaat, van lage naar hoge drukken. Dit gebeurt omdat water overvloediger is per volume-eenheid waar opgeloste stof minder overvloedig is.

Dat wil zeggen, tijdens osmose beweegt het water waar het (het water) overvloediger is naar waar het minder overvloedig is. Daarom moet het fenomeen worden begrepen vanuit het perspectief van water.

Het is belangrijk om te onthouden dat osmose de beweging van water door de membranen regelt en de beweging van opgeloste stoffen niet rechtstreeks beïnvloedt. Wanneer opgeloste stoffen diffunderen, doen ze dat door gradiënten van hun eigen chemische concentratie te volgen. Alleen water volgt de concentratiegradiënt van osmotische druk.

Osmotische druk

Druk?

Een van de meest verwarrende aspecten als het gaat om het begrijpen van het osmoseproces, is het gebruik van het woord druk. Om verwarring te voorkomen, is het belangrijk om duidelijk te maken dat een oplossing op zichzelf geen hydrostatische druk uitoefent vanwege zijn osmotische druk.

Een glucose-oplossing van 1 M heeft bijvoorbeeld een osmotische druk van 22 atm. De oplossing laat glazen flessen echter niet "exploderen" en kan op dezelfde manier worden bewaard als zuiver water, omdat een geïsoleerde oplossing zich niet vertaalt in hydrostatische druk.

De term druk wordt alleen gebruikt vanwege een historisch ongeluk, aangezien de eerste wetenschappers die deze verschijnselen bestudeerden fysisch en chemisch waren.

Dus als twee oplossingen die verschillen in hun osmotische druk worden gescheiden door een membraan, zal een hydrostatische druk worden gecreëerd.

Osmotische en hydrostatische drukken

Het osmoseproces leidt tot de vorming van een hydrostatische druk. Het drukverschil leidt tot een verhoging van het niveau van de meer geconcentreerde oplossing, aangezien het water erin diffundeert. De stijging van het waterpeil gaat door totdat de nettosnelheid van de waterbeweging gelijk is aan nul.

Een nettostroom wordt bereikt wanneer de hydrostatische druk in compartiment II voldoende is om de watermoleculen terug in gedrag I te dwingen, met dezelfde snelheid dat osmose ervoor zorgt dat de moleculen van compartiment I naar II gaan.

De druk van het water waardoor de deeltjes zich terugtrekken (van compartimenten I naar II) wordt de osmotische druk van de oplossing in compartiment II genoemd.

Hoe wordt de waterstroom in cellen gecontroleerd?

Dankzij het osmotische fenomeen kan water passief door celmembranen bewegen. Historisch is het bekend dat dieren geen actief watertransportsysteem hebben om de stroom van deze stof te regelen.

Actieve transportsystemen voor opgeloste stoffen kunnen echter de richting van de waterbeweging in een gunstige richting veranderen. Op deze manier is actief transport van opgeloste stoffen een manier waarop dieren hun metabolische energie gebruiken om de richting van het watertransport te regelen.

Kwantificering

Er zijn wiskundige formules waarmee kan worden gemeten hoe snel het water door osmose de membranen zal passeren. De vergelijking om het te berekenen is de volgende:

Osmotische transportsnelheid van water = K (Π ₁ –Π ₂ / X). Waar Π ₁ en Π ₂ de osmotische drukken zijn van de oplossingen aan beide zijden van het membraan en X de afstand is die ze scheidt.

De relatie (Π ₁ –Π ₂ / X) staat bekend als de osmotische drukgradiënt of osmotische gradiënt.

De laatste term in de vergelijking is K is de evenredigheidscoëfficiënt die afhangt van de temperatuur en de permeabiliteit van het membraan.

Verschillen met diffusie

Wat is uitzenden?

Diffusie vindt plaats door de willekeurige thermische beweging van opgeloste of gesuspendeerde moleculen, die hun verspreiding van de gebieden met hoge concentraties naar de laagste veroorzaakt. De diffusiesnelheid kan worden berekend met behulp van de Fick-vergelijking.

Het is een exergonisch proces vanwege de toename van entropie die wordt weergegeven door de willekeurige verdeling van de moleculen.

In het geval dat de stof elektrolytisch is, moet naast de concentraties ook rekening worden gehouden met het totale verschil in lading tussen de twee compartimenten.

Osmose is een specifiek geval van diffusie

Diffusie en osmose zijn geen tegengestelde termen, laat staan ​​elkaar uitsluitende begrippen.

Watermoleculen kunnen snel door celmembranen bewegen. Zoals we hebben uitgelegd, diffunderen ze van een regio met een lage concentratie opgeloste stoffen naar een regio met een hoge concentratie in een proces dat osmose wordt genoemd.

Het lijkt ons vreemd om van "waterconcentratie" te spreken, maar deze stof gedraagt ​​zich als elke andere stof. Dat wil zeggen, het diffundeert ten gunste van zijn concentratiegradiënt.

Sommige auteurs gebruiken de term "waterdiffusie" echter als synoniem voor osmose. Het letterlijk toepassen op biologische systemen kan verkeerd zijn, aangezien is aangetoond dat de snelheid van osmose door biologische membranen hoger is dan wat zou worden verwacht bij een eenvoudig diffusieproces.

In sommige biologische systemen passeert water door eenvoudige diffusie door het celmembraan. Sommige cellen hebben echter speciale kanalen voor het doorlaten van water. De belangrijkste worden aquaporines genoemd, waardoor de waterstroom door het membraan sneller gaat.

Voorbeelden

Binnen biologische systemen is de beweging van water door celmembranen cruciaal om tientallen fysiologische processen te begrijpen. Voorbeelden zijn:

Osmotische uitwisseling bij zoetwatervissen

Een interessant voorbeeld van de rol van osmose bij dieren is de wateruitwisseling die optreedt bij vissen die in zoet water leven.

Dieren die in zoetwaterlichamen leven, nemen constant water op uit de rivier of vijver waar ze in hun lichaam leven, aangezien de concentratie van bloedplasma en andere lichaamsvloeistoffen een veel hogere concentratie heeft dan die van water. .

De Carassius auratus-vissoort leeft in zoetwateromgevingen. Een persoon met een massa van 100 gram kan ongeveer 30 gram water per dag krijgen dankzij de beweging van water in zijn lichaam. De vissen hebben systemen - energetisch duur - om voortdurend overtollig water kwijt te raken.

Reabsorptie van vloeistoffen

In het maagdarmstelsel van dieren moet het fenomeen osmose optreden om het goed te laten functioneren. Het spijsverteringskanaal scheidt een aanzienlijke hoeveelheid vloeistof af (in de orde van liters) die door osmose opnieuw moet worden opgenomen door de cellen die de darmen bekleden.

Als dit systeem zijn werk niet uitvoert, kan er ernstige diarree optreden. Verlenging van deze storing kan leiden tot uitdroging van de patiënt.

Turgor in planten

Het watervolume in cellen hangt af van de concentratie van zowel de interne als de externe omgeving, en de stroming wordt geregisseerd door de verschijnselen van diffusie en osmose.

Als een dierlijke cel (zoals een erytrocyt) in een medium wordt geplaatst dat het binnendringen van water bevordert, kan deze barsten. Plantencellen hebben daarentegen een wand die hen beschermt tegen osmotische stress.

In feite profiteren niet-houtachtige planten van deze druk die wordt gegenereerd door het passief binnendringen van water. Deze druk helpt om verschillende plantorganen, zoals bladeren, gezwollen te houden. Zodra water uit de cellen begint te stromen, verliest de cel zijn gezwollenheid en verdort.

Referenties

1. Cooper, GM, Hausman, RE en Hausman, RE (2000). De cel: een moleculaire benadering. ASM pers.
2. Eckert, R., Randall, R., & Augustine, G. (1988). Dierfysiologie: mechanismen en aanpassingen. WH Freeman & Co.
3. Hill, RW, Wyse, GA, Anderson, M., en Anderson, M. (2004). Dierlijke fysiologie. Sinauer Associates.
4. Karp, G. (2009). Cel- en moleculaire biologie: concepten en experimenten. John Wiley & Sons.
5. Pollard, TD, Earnshaw, WC, Lippincott-Schwartz, J., & Johnson, G. (2016). E-book over celbiologie. Elsevier Gezondheidswetenschappen.
6. Schmidt-Nielsen, K. (1997). Dierfysiologie: aanpassing en omgeving. Cambridge University Press.