Osmoza - Osmosis

Proces osmozy nad membraną półprzepuszczalną. Niebieskie kropki reprezentują cząstki napędzające gradient osmotyczny.

Osmozy ( / ɒ oo m s ɪ s / , USA również / ɒ y - / ) jest spontaniczne przepływ netto lub dyfuzji z rozpuszczalników cząsteczek przez selektywnie przepuszczalnej membrany ze strefy wysokiego potencjału wody (obszar o mniejszym rozpuszczonej stężenia) do obszaru o niskim potencjale wodnym (obszar o wyższym stężeniu substancji rozpuszczonej), w kierunku, który ma tendencję do wyrównywania stężeń substancji rozpuszczonej po obu stronach. Może być również stosowany do opisu 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 pracy . 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 ważnym 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 , a jednocześnie przepuszczają niepolarne lub hydrofobowe cząsteczki, takie jak lipidy, a także małe cząsteczki, takie jak tlen, dwutlenek węgla, azot i azot. tlenek. Przepuszczalność zależy od rozpuszczalności, ładunku lub chemii, a także od wielkości substancji rozpuszczonej. Cząsteczki wody przechodzą przez błonę plazmatyczną, błonę tonoplastową (wakuolę) lub protoplast poprzez dyfuzję przez dwuwarstwę fosfolipidową poprzez akwaporyny (małe białka transbłonowe podobne do tych odpowiedzialnych za ułatwioną dyfuzję i kanały jonowe). Osmoza jest podstawowym środkiem transportu wody do iz komórek . Turgoru ciśnienie komórki jest w znacznym stopniu utrzymana przez osmozę przez błonę komórkową pomiędzy wnętrzem komórkowym i stosunkowo hipotonicznym środowiska.

Historia

Wynaleziony przez Dutrochet „ endosmometr ”.

Niektóre rodzaje przepływu osmotycznego obserwowano od czasów starożytnych, np. przy budowie piramid egipskich. 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) od greckich słów ἔνδον ( éndon „wewnątrz”), ἔξω ( éxō „zewnętrzny, zewnętrzny”) i ὠσμός ( ōsmós „pchać, 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 układach biologicznych rozpuszczalnikiem jest zazwyczaj 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 wychodzą z komórki. Jeśli komórka jest zanurzona w słodkiej wodzie, cząsteczki wody przenoszą się do komórki.

Woda przechodząca przez półprzepuszczalną membranę

Gdy membrana ma po obu stronach objętość czystej wody, cząsteczki wody przechodzą do środka i na zewnątrz w każdym kierunku z dokładnie taką samą szybkością. Nie ma przepływu netto wody przez membranę.

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

Ogrody chemiczne demonstrują wpływ osmozy w chemii nieorganicznej.

Mechanizm

Mechanizm odpowiedzialny za napędzanie osmozy jest powszechnie przedstawiany w tekstach z dziedziny biologii i chemii jako rozcieńczanie wody przez substancję rozpuszczoną (co skutkuje 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 ruch netto wody w kierunku substancji rozpuszczonej). Oba te poglądy zostały ostatecznie obalone.

Model dyfuzji osmozy jest nie do utrzymania, ponieważ osmoza może kierować wodę przez membranę w kierunku wyższego stężenia wody. Model „wody związanej” jest obalany przez fakt, że osmoza jest niezależna od wielkości cząsteczek substancji rozpuszczonej – właściwości koligatywnej – ani od ich hydrofilowości.

Trudno opisać osmozę bez wyjaśnienia mechanicznego lub termodynamicznego, ale zasadniczo istnieje interakcja między substancją rozpuszczoną a wodą, która przeciwdziała ciśnieniu, jakie w innym przypadku 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 pojęcia 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 w taki sposób, że potencjał chemiczny pozostaje niezmieniony. Twierdzenie o wiriale pokazuje, że pomiędzy częścią cząsteczki (wody i substancji rozpuszczonych) zmniejsza się ciśnienie, a tym samym ciśnienie wywierane przez cząsteczki wody na siebie w roztworze jest mniejsze niż w czystej wodzie, umożliwiając czystą wodę „siła” roztwór aż ciśnienie osiąga równowagę.

Rola w żywych istotach

Wpływ różnych roztworów na komórki krwi
Mikrofotografie ciśnienia osmotycznego na krwinkach czerwonych (RBC)
Komórka roślinna w różnych środowiskach.

W wielu roślinach głównym czynnikiem wsparcia jest ciśnienie osmotyczne . Wejście osmotyczne wody podnosi ciśnienie turgorowe wywierane na ścianę komórkową , aż zrówna się z ciśnieniem osmotycznym, tworząc stan ustalony .

Kiedy komórka roślinna zostaje umieszczona w roztworze, który jest hipertoniczny w stosunku do cytoplazmy, woda wysuwa się z komórki i komórka kurczy się. W ten sposób komórka staje się zwiotczała . W skrajnych przypadkach komórka ulega plazmoliziebłona komórkowa odłącza się od ściany komórkowej z powodu braku naporu wody na nią.

Kiedy komórka roślinna jest umieszczona w roztworze, który jest hipotoniczny w stosunku do cytoplazmy, woda wnika do komórki, a komórka pęcznieje i staje się jędrna .

Osmoza odpowiada za zdolność korzeni roślin do pobierania wody z gleby. Rośliny koncentrują substancje rozpuszczone w komórkach korzeni poprzez aktywny transport , a woda wnika do korzeni na drodze osmozy. Osmoza jest również odpowiedzialna za kontrolę 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, a w przypadku ryb morskich dramatycznie. Innym przykładem szkodliwego efektu osmotycznego jest użycie soli kuchennej do zabijania pijawek i ślimaków .

Załóżmy, że zwierzę lub komórka roślinna jest umieszczona w roztworze cukru lub soli w wodzie.

  • Jeśli podłoże jest hipotoniczne w stosunku do cytoplazmy komórki, komórka pozyska wodę poprzez osmozę.
  • Jeśli podłoże jest izotoniczne , nie będzie ruchu netto wody przez błonę komórkową.
  • Jeśli podłoże jest hipertoniczne w stosunku do cytoplazmy komórki, komórka traci wodę przez osmozę.

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

Czynniki

Ciśnienie osmotyczne

Osmozie można przeciwdziałać, zwiększając ciśnienie w rejonie wysokiego stężenia substancji rozpuszczonej w stosunku do tego w rejonie niskiego stężenia substancji rozpuszczonej. Siły na jednostkę powierzchni, lub ciśnienia, w celu zapobieżenia przechodzeniu wody (lub innych wysokiej płynności roztworu) przez selektywnie przepuszczalnej membrany i do roztworu o większej koncentracji jest równoważne ciśnieniu osmotycznym roztworu lub turgoru . 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 w stężeniu dwóch roztworów po obu stronach membrany półprzepuszczalnej 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 (roztwór o wyższym stężeniu). Ostatecznie siła słupa wody po stronie hipertonicznej błony półprzepuszczalnej zrówna się z siłą dyfuzji po stronie hipotonicznej (strona o mniejszym stężeniu), tworząc równowagę. Gdy równowaga zostanie osiągnięta, woda nadal płynie, ale płynie w obie strony w równych ilościach i sile, 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 z jednej strony 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 przez przyłożenie ciśnienia przekraczającego ciśnienie osmotyczne .

Osmoza do przodu

Osmozę można stosować bezpośrednio do oddzielenia wody od roztworu zawierającego niepożądane substancje rozpuszczone. Roztwór „do pobierania” o wyższym ciśnieniu osmotycznym niż roztwór zasilający stosuje się do wywołania przepływu netto wody przez półprzepuszczalną membranę tak, że roztwór zasilający staje się zagęszczany, gdy roztwór do pobierania staje się rozcieńczony. Rozcieńczony roztwór do pobierania można następnie stosować bezpośrednio (jak w przypadku rozpuszczalnej substancji do spożycia, takiej jak glukoza) lub przesyłać do procesu wtórnego rozdzielania w celu usunięcia substancji rozpuszczanej do pobierania. Ta wtórna separacja może być bardziej wydajna niż sam proces odwróconej osmozy, w zależności od zastosowanej substancji rozpuszczonej i uzdatnionej wody zasilającej. Osmoza w przód jest obszarem ciągłych badań, skupiającym się na zastosowaniach w odsalaniu , uzdatnianiu wody , uzdatnianiu wody , przetwarzaniu żywności i innych obszarach badań.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki