Osmoza

Proces osmozy na błonie półprzepuszczalnej. Niebieskie kropki reprezentują cząstki napędzające gradient osmotyczny.

Osmoza ( / ɒ z ˈ m oʊ s ɪ s / , US także / ɒ s - / ) to spontaniczny ruch netto lub dyfuzja cząsteczek rozpuszczalnika przez selektywnie przepuszczalną membranę z regionu o wysokim potencjale wody (region o niższym stężeniu substancji rozpuszczonej ) do obszaru o niskim potencjale wody (obszar o wyższym stężeniu substancji rozpuszczonej), w kierunku, który ma tendencję do wyrównywania stężeń substancji rozpuszczonej po obu stronach. Można go również użyć do opisania procesu fizycznego, w którym dowolny rozpuszczalnik przemieszcza się przez selektywnie przepuszczalną membranę (przepuszczalną dla rozpuszczalnika, ale nie dla substancji rozpuszczonej), oddzielając dwa roztwory o różnych stężeniach. Osmozę można zmusić do działania praca . Ciśnienie osmotyczne definiuje się jako ciśnienie zewnętrzne , które należy zastosować, aby nie było ruchu netto rozpuszczalnika przez membranę. Ciśnienie osmotyczne jest właściwością koligatywną , co oznacza, że ciśnienie osmotyczne zależy od stężenia molowego substancji rozpuszczonej, ale nie od jej tożsamości.

Osmoza jest istotnym procesem w systemach biologicznych , ponieważ błony biologiczne są półprzepuszczalne. Ogólnie rzecz biorąc, błony te są nieprzepuszczalne dla dużych i polarnych cząsteczek, takich jak jony , białka i polisacharydy , podczas gdy są przepuszczalne dla cząsteczek niepolarnych lub hydrofobowych , takich jak lipidy jak również do małych cząsteczek, takich jak tlen, dwutlenek węgla, azot i tlenek azotu. Przepuszczalność zależy od rozpuszczalności, ładunku lub chemii, a także od wielkości substancji rozpuszczonej. Cząsteczki wody przemieszczają się przez błonę plazmatyczną, błonę tonoplastu (wakuolę) lub błonę organelli, dyfundując przez dwuwarstwę fosfolipidową przez akwaporyny (małe białka transbłonowe podobne do białek odpowiedzialnych za ułatwioną dyfuzję i kanały jonowe). Osmoza zapewnia podstawowy sposób wody do iz komórek . Turgor _ ciśnienie w komórce jest w dużej mierze utrzymywane przez osmozę przez błonę komórkową między wnętrzem komórki a jej względnie hipotonicznym środowiskiem.

Historia

„ Endosmometr ” wynaleziony przez Dutrocheta

Niektóre rodzaje przepływu osmotycznego obserwowano od czasów starożytnych, np. przy budowie egipskich piramid. Jean-Antoine Nollet po raz pierwszy udokumentował obserwację osmozy w 1748 r. Słowo „osmoza” wywodzi się od słów „endosmoza” i „egzosmoza”, które zostały ukute przez francuskiego lekarza René Joachima Henri Dutrocheta (1776–1847) z greckich słów ἔνδον ( éndon „wewnątrz”), ἔξω ( éxō „zewnętrzny, zewnętrzny”) i ὠσμός ( ōsmós „pchnięcie, impuls”). W 1867 Moritz Traube wynalazł wysoce selektywne membrany strącające, rozwijając sztukę i technikę pomiaru przepływu osmotycznego.

Opis

Osmoza to ruch rozpuszczalnika przez półprzepuszczalną membranę w kierunku wyższego stężenia substancji rozpuszczonej. W systemach biologicznych rozpuszczalnikiem jest zwykle woda, ale osmoza może wystąpić w innych cieczach, cieczach nadkrytycznych, a nawet gazach.

Kiedy komórka jest zanurzona w wodzie , cząsteczki wody przechodzą przez błonę komórkową z obszaru o niskim stężeniu substancji rozpuszczonej do wysokiego stężenia substancji rozpuszczonej. Na przykład, jeśli komórka jest zanurzona w słonej wodzie, cząsteczki wody wydostają się z komórki. Jeśli komórka jest zanurzona w słodkiej wodzie, cząsteczki wody przemieszczają się do komórki.

Woda przechodząca przez półprzepuszczalną membranę

Kiedy membrana ma objętość czystej wody po obu stronach, cząsteczki wody wchodzą i wychodzą w każdym kierunku z dokładnie taką samą szybkością. Nie ma przepływu netto wody przez membranę.

Osmozę można wykazać, dodając plastry ziemniaka do roztworu o wysokiej zawartości soli. Woda z wnętrza ziemniaka przedostaje się do roztworu, powodując kurczenie się ziemniaka i utratę „ciśnienia turgoru”. Im bardziej stężony roztwór soli, tym większy ubytek wielkości i wagi plastra ziemniaka.

Ogrody chemiczne demonstrują wpływ osmozy w chemii nieorganicznej.

Mechanizm

Mechanizm odpowiedzialny za napędzanie osmozy był powszechnie przedstawiany w tekstach biologicznych i chemicznych jako rozcieńczanie wody przez substancję rozpuszczoną (skutkujące niższym stężeniem wody po stronie membrany o wyższym stężeniu substancji rozpuszczonej, a zatem dyfuzją wody wzdłuż gradientu stężenia ) lub przez przyciąganie substancji rozpuszczonej do wody (co skutkuje mniejszą ilością wolnej wody po stronie membrany o wyższym stężeniu substancji rozpuszczonej, a zatem wypadkowy ruch wody w kierunku substancji rozpuszczonej). Oba te pojęcia zostały definitywnie obalone.

Dyfuzyjny model osmozy jest nie do utrzymania ze względu na fakt, że osmoza może kierować wodę przez membranę w kierunku wyższego stężenia wody. Model „wody związanej” jest obalony przez fakt, że osmoza jest niezależna od wielkości cząsteczek substancji rozpuszczonej - właściwości koligatywnej - lub ich hydrofilowości.

Trudno jest opisać osmozę bez wyjaśnienia mechanicznego lub termodynamicznego, ale zasadniczo istnieje interakcja między substancją rozpuszczoną a wodą, która przeciwdziała ciśnieniu, które w przeciwnym razie wywierałyby wolne cząsteczki substancji rozpuszczonej. Należy zwrócić uwagę na fakt, że ciepło z otoczenia można przekształcić w energię mechaniczną (podnoszenie się wody).

Wiele wyjaśnień termodynamicznych dotyczy koncepcji potencjału chemicznego i tego, jak funkcja wody po stronie roztworu różni się od funkcji czystej wody ze względu na wyższe ciśnienie i obecność substancji rozpuszczonej przeciwdziałającej tak, że potencjał chemiczny pozostaje niezmieniony. Twierdzenie wirialne pokazuje, że przyciąganie między cząsteczkami (wody i substancji rozpuszczonej) zmniejsza ciśnienie, a zatem ciśnienie wywierane przez cząsteczki wody na siebie w roztworze jest mniejsze niż w czystej wodzie, pozwalając czystej wodzie „wymusić” roztwór do momentu, gdy ciśnienie osiąga równowagę.

Rola w organizmach żywych

Wpływ różnych roztworów na komórki krwi

Mikrofotografie ciśnienia osmotycznego na krwinki czerwone (RBC)

Komórka roślinna w różnych środowiskach.

Ciśnienie osmotyczne jest głównym czynnikiem wspomagającym w wielu roślinach. Osmotyczne wejście wody podnosi ciśnienie turgoru wywierane na ścianę komórkową , aż zrówna się z ciśnieniem osmotycznym, tworząc stan ustalony .

Kiedy komórkę roślinną umieszcza się w roztworze, który jest hipertoniczny w stosunku do cytoplazmy, woda wypływa z komórki i komórka się kurczy. W ten sposób komórka staje się zwiotczała . W skrajnych przypadkach komórka ulega plazmolizie – błona komórkowa odrywa się od ściany komórkowej z powodu braku na nią ciśnienia wody.

Kiedy komórkę roślinną umieszcza się w roztworze, który jest hipotoniczny w stosunku do cytoplazmy, woda przemieszcza się do komórki, a komórka pęcznieje i staje się nabrzmiała .

Osmoza odpowiada za zdolność korzeni roślin do pobierania wody z gleby. Rośliny koncentrują substancje rozpuszczone w komórkach korzeni poprzez transport aktywny , a woda dostaje się do korzeni na drodze osmozy. Osmoza jest również odpowiedzialna za kontrolowanie ruchu komórek ochronnych .

W nietypowych środowiskach osmoza może być bardzo szkodliwa dla organizmów. Na przykład słodkowodne i morskie ryby akwariowe umieszczone w wodzie o innym zasoleniu niż to, do którego są przystosowane, umrą szybko, aw przypadku ryb morskich dramatycznie. Innym przykładem szkodliwego efektu osmotycznego jest użycie soli kuchennej do zabijania pijawek i ślimaków .

Załóżmy, że komórkę zwierzęcą lub roślinną umieszcza się w wodnym roztworze cukru lub soli.

Jeśli pożywka jest hipotoniczna w stosunku do cytoplazmy komórki, komórka uzyska wodę w wyniku osmozy.
Jeśli pożywka jest izotoniczna , nie będzie ruchu netto wody przez błonę komórkową.
Jeśli pożywka jest hipertoniczna w stosunku do cytoplazmy komórki, komórka straci wodę w wyniku osmozy.

Oznacza to, że jeśli komórka zostanie umieszczona w roztworze, który ma stężenie substancji rozpuszczonej wyższe niż jej własne, skurczy się, a jeśli zostanie umieszczona w roztworze o niższym stężeniu substancji rozpuszczonej niż jej własne, komórka puchnie, a nawet może pęknąć .

czynniki

Ciśnienie osmotyczne

Osmozie można przeciwdziałać, zwiększając ciśnienie w obszarze o wysokim stężeniu substancji rozpuszczonej w stosunku do tego w obszarze o niskim stężeniu substancji rozpuszczonej. Siła na jednostkę powierzchni lub ciśnienie, wymagana do zapobieżenia przedostawaniu się wody (lub jakiegokolwiek innego roztworu o dużej płynności ) przez selektywnie przepuszczalną membranę do roztworu o większym stężeniu , jest równoważna ciśnieniu osmotycznemu roztworu lub turgorowi . Ciśnienie osmotyczne jest właściwością koligatywną , co oznacza, że właściwość zależy od stężenia substancji rozpuszczonej, ale nie od jej zawartości lub tożsamości chemicznej.

Gradient osmotyczny

Gradient osmotyczny to różnica stężeń między dwoma roztworami po obu stronach półprzepuszczalnej membrany i służy do określenia różnicy w procentach stężenia określonej cząstki rozpuszczonej w roztworze.

Zwykle gradient osmotyczny jest używany podczas porównywania roztworów, które mają między sobą półprzepuszczalną membranę umożliwiającą dyfuzję wody między dwoma roztworami w kierunku roztworu hipertonicznego (roztworu o wyższym stężeniu). Ostatecznie siła słupa wody po hipertonicznej stronie błony półprzepuszczalnej zrówna się z siłą dyfuzji po stronie hipotonicznej (strona o mniejszym stężeniu), tworząc równowagę. Kiedy równowaga zostanie osiągnięta, woda nadal płynie, ale płynie w obie strony z równymi ilościami i siłą, stabilizując w ten sposób roztwór.

Zmiana

Odwrócona osmoza

Odwrócona osmoza to proces separacji, który wykorzystuje ciśnienie do przepchnięcia rozpuszczalnika przez półprzepuszczalną membranę , która zatrzymuje substancję rozpuszczoną po jednej stronie i umożliwia przejście czystego rozpuszczalnika na drugą stronę, wypychając go z obszaru o wysokim stężeniu substancji rozpuszczonej przez membranę do obszaru o niskim stężeniu substancji rozpuszczonej poprzez zastosowanie ciśnienia przekraczającego ciśnienie osmotyczne .

Osmoza do przodu

Osmozę można zastosować bezpośrednio do oddzielenia wody od roztworu zawierającego niepożądane substancje rozpuszczone. Roztwór „wyciągający” o wyższym ciśnieniu osmotycznym niż roztwór zasilający jest stosowany do indukowania przepływu netto wody przez półprzepuszczalną membranę, tak że roztwór zasilający staje się stężony, gdy roztwór wyciągający staje się rozcieńczony. Rozcieńczony roztwór do wyciągania można następnie użyć bezpośrednio (jak w przypadku spożywanej substancji rozpuszczonej, takiej jak glukoza) lub wysłać do wtórnego procesu separacji w celu usunięcia substancji rozpuszczonej do wyciągania. Ta wtórna separacja może być bardziej wydajna niż sam proces odwróconej osmozy, w zależności od użytej substancji rozpuszczonej i uzdatnionej wody zasilającej. Forward osmosis jest obszarem ciągłych badań, koncentrując się na zastosowaniach w odsalaniu , oczyszczaniu wody , uzdatnianiu wody , przetwarzaniu żywności i innych obszarach badań.

Zobacz też

Linki zewnętrzne