OSMÓZA: PROCES, TYPY, ROZDÍLY S DIFÚZÍ A PŘÍKLADY - BIOLOGIE - 2025

Osmóza je pasivní jev výtlak vody přes membránu. Může to být buněčná membrána, epitel nebo umělá membrána. Voda se pohybuje z oblasti s nízkým osmotickým tlakem (nebo tam, kde je voda hojnější) do oblasti s vyššími osmotickými tlaky (nebo kde je voda méně hojná).

Tento proces má biologický význam a organizuje řadu fyziologických procesů jak u zvířat, tak u rostlin.

Zdroj: OpenStax

Prvním badatelem, který oznámil osmotický jev, byl Abbé Jean Antoine Nollet. V roce 1748 pracoval Nollet se zvířecími buněčnými membránami a všiml si, že když byla na jednu stranu membrány umístěna čistá voda a na druhé straně roztok se zředěnými elektrolyty, voda se přesunula do oblasti s rozpuštěnými látkami.

Byl tedy popsán průchod vody ve prospěch jeho koncentračního gradientu a nazýval se osmóza. Termín pochází z řeckých kořenů osmos, což znamená tlačit.

V 1877, Wilhelm Pfeller dělal první studie o osmotickém tlaku. Jeho experimentální návrh zahrnoval použití “membrány” ferrocyanidu mědi na povrchu porézního hliněného kalíšku, což vedlo ke vzniku membrány umožňující průchod molekul vody.

Pfellerovy umělé membrány byly dostatečně silné, aby vydržely významné osmotické tlaky a nezhroutily se. Tento výzkumný pracovník byl schopen dospět k závěru, že osmotický tlak je úměrný koncentraci solutu.

Proces

Pohyb vody membránou z oblasti s nízkou koncentrací do oblasti s vysokou koncentrací se nazývá osmóza. K tomuto procesu dochází z oblasti s nejnižším osmotickým tlakem na nejvyšší osmotický tlak.

Zpočátku může být toto tvrzení matoucí - a dokonce protichůdné. Jsme zvyklí na pasivní pohyb „vysoko až nízko“. Například teplo může být od vysokých po nízké teploty, glukóza difunduje z oblastí s vysokou koncentrací do méně koncentrovaných oblastí atd.

Jak jsme již zmínili, voda, která zažívá jev osmózy, se pohybuje od nízkých tlaků k vysokým tlakům. K tomu dochází, protože voda je hojnější na jednotku objemu, kde je rozpuštěná látka méně hojná.

To znamená, že během osmózy se voda pohybuje tam, kde je (voda) hojnější tam, kde je méně hojná. Tento jev je proto třeba chápat z pohledu vody.

Je důležité si uvědomit, že osmóza řídí pohyb vody přes membrány a nemá přímý vliv na pohyb solutů. Když rozpuštěné látky rozptýlí, dělají to sledováním gradientů své vlastní chemické koncentrace. Pouze voda sleduje koncentrační gradient osmotického tlaku.

Osmotický tlak

Tlaky?

Jedním z nejasných aspektů, pokud jde o pochopení procesu osmózy, je použití slova tlaky. Aby nedošlo k záměně, je důležité objasnit, že řešení samo o sobě nevyvíjí hydrostatický tlak kvůli svému osmotickému tlaku.

Například 1 M roztok glukózy má osmotický tlak 22 atm. Roztok však „exploduje“ skleněné láhve a může být skladován stejným způsobem jako čistá voda, protože izolovaný roztok se nepřevádí do hydrostatického tlaku.

Termín tlaky se používá pouze kvůli historické nehodě, protože první vědci, kteří studovali tyto jevy, byly fyzikální a chemické.

Pokud jsou tedy dvě řešení, která se liší svými osmotickými tlaky, oddělena membránou, vytvoří se hydrostatický tlak.

Osmotické a hydrostatické tlaky

Proces osmózy vede ke vzniku hydrostatického tlaku. Rozdíl tlaku vede ke zvýšení hladiny koncentrovanějšího roztoku, protože voda do něj difunduje. Zvyšování hladiny vody pokračuje, dokud se čistá rychlost pohybu vody rovná nule.

Čistého průtoku je dosaženo, když hydrostatický tlak v kompartmentu II je dostatečný k tomu, aby donutil molekuly vody zpět k chování I, se stejnou rychlostí, jakou osmóza způsobuje pohyb molekul z kompartmentu I do II.

Tlak vody, který způsobuje, že částice ustupují (z kompartmentů I až II), se nazývá osmotický tlak roztoku v kompartmentu II.

Jak je řízen tok vody v buňkách?

Díky osmotickému jevu se voda může pasivně pohybovat přes buněčné membrány. Historicky je známo, že zvířata postrádají aktivní vodní transportní systém pro řízení toku této látky.

Aktivní systémy pro přepravu solutu však mohou změnit směr pohybu vody příznivým směrem. Tímto způsobem je aktivní transport solutů jedním ze způsobů, jak zvířata používají svou metabolickou energii k řízení směru vodní dopravy.

Kvantifikace

Existují matematické vzorce, které umožňují měření rychlosti, jakou voda bude procházet membránami osmózou. Rovnice pro její výpočet je následující:

Osmotický transportní poměr vody = K (Π ₁ –Π ₂ / X). Kde Π ₁ a Π ₂ jsou osmotické tlaky roztoků na obou stranách membrány a X je vzdálenost, která je odděluje.

Vztah (Π ₁ –Π ₂ / X) je známý jako gradient osmotického tlaku nebo osmotický gradient.

Poslední člen v rovnici je K je koeficient proporcionality, který závisí na teplotě a propustnosti membrány.

Rozdíly s difúzí

Co je to vysílání?

K difúzi dochází náhodným tepelným pohybem rozpuštěných nebo suspendovaných molekul, což způsobuje jejich disperzi z oblastí vysokých koncentrací na nejnižší. Rychlost difúze lze vypočítat pomocí Fickovy rovnice.

Je to exergonický proces kvůli nárůstu entropie představované náhodnou distribucí molekul.

V případě, že jde o elektrolytickou látku, je třeba kromě koncentrací vzít v úvahu také celkový rozdíl v náboji mezi oběma složkami.

Osmóza je zvláštním případem difúze

Difúze a osmóza nejsou protikladné termíny, mnohem méně vzájemně se vylučující pojmy.

Molekuly vody mají schopnost rychle se pohybovat přes buněčné membrány. Jak jsme vysvětlili, difundují z oblasti s nízkou koncentrací solutu do oblasti s vysokou koncentrací v procesu zvaném osmóza.

Zdá se nám divné mluvit o „koncentraci vody“, ale tato látka se chová jako každá jiná látka. To znamená, že se šíří ve prospěch svého gradientu koncentrace.

Někteří autoři však používají termín „difúze vody“ jako synonymum pro osmózu. Doslovné použití v biologických systémech může být špatné, protože bylo prokázáno, že rychlost osmózy přes biologické membrány je vyšší, než by se očekávalo při jednoduchém difúzním procesu.

V některých biologických systémech voda prochází jednoduchou difúzí buněčnou membránou. Některé buňky však mají speciální kanály pro průchod vody. Nejdůležitější se nazývají aquaporiny, zvyšující rychlost průtoku vody membránou.

Příklady

V biologických systémech je pohyb vody buněčnými membránami rozhodující pro pochopení desítek fyziologických procesů. Některé příklady jsou:

Osmotická výměna sladkovodních ryb

Zajímavým příkladem úlohy osmózy u zvířat je výměna vody, ke které dochází u ryb žijících ve sladkých vodách.

Zvířata, která obývají těla sladké vody, nepřetržitě přijímají vodu z řeky nebo rybníka, kde žijí do svých těl, protože koncentrace krevní plazmy a dalších tělesných tekutin mají mnohem vyšší koncentraci než voda..

Druh Carassius auratus žije ve sladkovodních prostředích. Jednotlivec, který má hmotnost 100 gramů, může díky pohybu vody uvnitř těla získat asi 30 gramů vody denně. Ryby mají systémy - energeticky drahé - aby se neustále zbavovaly přebytečné vody.

Reabsorpce kapalin

V gastrointestinálním systému zvířat musí dojít k fenoménu osmózy, aby správně fungoval. Trávicí trakt vylučuje významné množství tekutiny (v řádu litrů), které musí být absorbováno osmózou buňkami, které lemují střeva.

V případě, že tento systém nevykonává svou práci, může dojít k závažným průjmovým událostem. Prodloužení této poruchy může vést k dehydrataci pacienta.

Turgor v rostlinách

Objem vody uvnitř buněk závisí na koncentraci vnitřního i vnějšího prostředí a tok je řízen jevy difúze a osmózy.

Pokud je živočišná buňka (jako je erytrocyt) umístěna do média, které podporuje vstup vody, mohla by prasknout. Naproti tomu rostlinné buňky mají zeď, která je chrání před osmotickým stresem.

Ve skutečnosti dřeviny, které nejsou dřevinami, využívají tohoto tlaku vytvářeného pasivním vstupem vody. Tento tlak pomáhá udržovat různé rostlinné orgány, jako jsou listy, turgidy. Jakmile voda z buněk začne vytékat, ztrácí buňka svou turgiditu a vadne.

Reference

1. Cooper, GM, Hausman, RE a Hausman, RE (2000). Buňka: molekulární přístup. Stiskněte ASM.
2. Eckert, R., Randall, R., & Augustine, G. (1988). Fyziologie zvířat: mechanismy a přizpůsobení. WH Freeman & Co.
3. Hill, RW, Wyse, GA, Anderson, M., & Anderson, M. (2004). Fyziologie zvířat. Sinauer Associates.
4. Karp, G. (2009). Buněčná a molekulární biologie: koncepce a experimenty. John Wiley a synové.
5. Pollard, TD, Earnshaw, WC, Lippincott-Schwartz, J. & Johnson, G. (2016). Cell Biology E-Book. Elsevier Health Sciences.
6. Schmidt-Nielsen, K. (1997). Fyziologie zvířat: adaptace a prostředí. Cambridge University Press.