Osmoze — definīcija, princips un nozīme šūnu membrānās
Osmoze: skaidra definīcija, princips un nozīme šūnu membrānās — kā ūdens kustība caur daļēji caurlaidīgu membrānu ietekmē šūnu funkcijas.
Osmozi sauc par ūdens (šķīdinātāja) kustību caur daļēji caurlaidīgu membrānu no reģiona ar zemāku izšķīdušo vielu koncentrāciju uz reģionu ar augstāku izšķīdušo vielu koncentrāciju, tādējādi izlīdzinot koncentrāciju atšķirības. Osmoze ir pasīvs transports — tai nav nepieciešama ārēja enerģija — un to nosaka atšķirīgs ķīmiskais potenciāls un osmotiskais spiediens abās membrānas pusēs. Osmotisko spiedienu izraisa atšķirīga izšķīdušo vielu koncentrācija, kas rada tendenci pārvietot šķīdinātāju, lai mazinātu šo atšķirību.
Osmozes princips
Osmoze notiek, ja pastāv daļēji caurlaidīga (semipermeabla) membrāna, kas ļauj šķīdinātājam (parasti ūdenim) šķērsot membrānu, bet neļauj viegli pārvietoties atsevišķām izšķīdušajām vielām. Ūdens plūst no puses ar lielāku brīvo šķīdinātāja daudzumu (zemāka izšķīdušo vielu koncentrācija) uz pusi ar mazāku brīvo šķīdinātāja daudzumu (augstāka izšķīdušo vielu koncentrācija). Šo plūsmu nosaka ķīmiskais potenciāls, temperatūra un šķidruma spiediens.
Osmotiskais spiediens — kvantitatīvs skaidrojums
Osmotisko spiedienu var saistīt ar izšķīdušo vielu koncentrāciju un temperatūru. Vienkāršā gadījumā to apraksta van 't Hoff likums: π = i·C·R·T, kur π ir osmotiskais spiediens, i — disociācijas koeficients, C — molārā koncentrācija, R — gāzu konstante un T — absolūtā temperatūra. Praktiski tas nozīmē, ka jo vairāk daļiņu šķīdumā, jo lielāks osmotiskais spiediens.
Osmoze šūnu membrānās
Osmoze ir īpaši nozīmīga šūnas membrānu funkcijās. Šūnas iekšiene un ārpuse var atšķirties pēc izšķīdušo vielu koncentrācijas, tādēļ ūdens pastāvīgi mēģina līdzsvarot šīs atšķirības:
- Ja ārējā vide ir hipotoniska (mazāka izšķīdušo vielu koncentrācija nekā šūnā), ūdens ieplūdīs šūnā — tas var izraisīt šūnas piepūšanos vai plīsumu (piem., eritrocītu hemolīze).
- Ja ārējā vide ir hipertoniska (lielāka izšķīdušo vielu koncentrācija), ūdens izplūdīs no šūnas — šūna saruks un var zaudēt funkciju (piem., kruncināšanās).
- Isootoniskā vidē nosacījumi ir līdzsvaroti un netiek novērota būtiska ūdens plūsma.
Daudzas šūnas regulē savu ūdens līdzsvaru, izmantojot membrānas proteīnus — akvaporīnus — kas veicina ūdens selektīvu pārvietošanos, kā arī jonkanālus un transportierus, kas maina osmotiski aktīvo daļiņu koncentrāciju.
Toniškums un piemēri
Praktiski piemēri, kur osmoze ir svarīga:
- Augi — turgors (šūnu tonuss) rodas, kad šūnas iekšienē ūdens spied uz šūnapvalku; turgora zudums noved pie vītušiem augiem.
- Dzīvnieku šūnas — hemolīze hipotoniskā šķīdumā un krēnācija hipertoniskā šķīdumā.
- Medicīnā — intravenozo šķīdumu izotoniķi jāizvēlas rūpīgi, lai nepieļautu šūnu bojāeju.
- Tehnoloģijās — reversā osmoze tiek izmantota ūdens attīrīšanā un desalinācijā.
Bioloģiskā nozīme un regulācija
Osmoze ir būtiska bioķīmijas un šūnu fizioloģijas procesiem: tā ietekmē barības vielu uzņemšanu, atkritumvielu izvadīšanu, šūnu apjomu un spiedienu. Organismi attīstījuši mehānismus osmoregulācijai — piemēram, augi izmanto vakuolas un šūnapvalku elastību, bet dzīvnieki regulē jonus caur nierēm, siltasiņu dzīvnieku osmoregulēšanu veic arī epitēlijas šūnas.
Praktiskie pielietojumi un ierobežojumi
Osmozi izmanto daudzās tehniskās un medicīniskajās jomās:
- ūdens attīrīšana un desalinācija (reversā osmoze),
- medicīniskā dialīze, kur nepieciešams atdalīt atkritumvielas no asinīm,
- pārtikas konservēšana, kur sāls vai cukura pievienošana rada hipertonisku vidi un novērš mikroorganismu augšanu.
Tomēr osmoze ir atkarīga no membrānas īpašībām — daļēji caurlaidīgas membrānas selektivitāte, poru izmērs un ķīmiskās īpašības nosaka, cik efektīvi notiek šķidruma vai atsevišķu vielu šķērsošana.
Kopumā osmoze ir fundamentāls fizikāli-ķīmisks process ar plašu nozīmi gan šūnu iekšējā līdzsvara uzturēšanā, gan daudzos praktiskos pielietojumos. Sapratne par osmozes mehānismiem palīdz skaidrot daudzus bioloģiskus fenomenu un optimizēt tehnoloģiskos risinājumus.
Osmozes process caur daļēji caurlaidīgu membrānu. Zilie punkti attēlo daļiņas, kas virza osmotisko gradientu.
Šis ir attēls no trīsdimensiju datormodulācijas, kurā simulēts osmozes process. Zilais siets ir necaurlaidīgs lielākām bumbiņām, bet mazākas bumbiņas var izkļūt cauri. Visas bumbiņas lēkā apkārt
Hipotonisks, izotonisks un hipertonisks
Šķīdumos var būt vairāk vai mazāk šķīdinātāja uz šķīdinātāja vienību. Šķīdumu, kurā ir mazāk, sauc par hipotonisku. Ja abu šķīdumu koncentrācija ir vienāda, tie ir izotoniski. Tas, kurā ir vairāk, ir hipertonisks. Ja hipotoniskais šķīdums ir ārpus šūnas, bet hipertoniskais - šūnas iekšpusē, šūna uzbriest un deformējas.
Auga šūna dažādās vidēs
Dažādu šķīdumu ietekme uz asins šūnām
Šūnu membrānas
Šūnas plazmas membrāna ir daļēji caurlaidīga, kas nozīmē, ka tā ļauj noteiktām molekulām iekļūt vai izkļūt no tās, tā ļauj mazām molekulām iziet cauri, bet bloķē lielākas molekulas. Membrānā ir arī porti jeb vārti, pa kuriem cauri var iekļūt noteiktas makromolekulas. Tas ir aktīvais transports, kas izmanto enerģiju un ir selektīvs. Tā ir dzīvnieka šūnas ārējais apvalks. To veido olbaltumvielas un lipīdi. Piemērs:- gāzu, piemēram, skābekļa un oglekļa dioksīda, apmaiņa.
Saistītās lapas
- Reversā osmoze
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir osmoze?
A: Osmozi sauc par šķīdinātāja (šķidruma) molekulu kustību caur membrānu no viena šķīduma otrā bez ārēja spēka. Šķīdinātājs pārvietojas uz pusi, kurā ir lielāka izšķīdušo vielu koncentrācija un mazāka šķīdinātāja koncentrācija.
J: Kā darbojas osmoze?
A: Osmozes process notiek tāpēc, ka membrāna ir selektīvi caurlaidīga, ļaujot šķīstošajam šķīdinātājam izkļūt cauri, bet ne šķīdinātājam. Šķīdinātāja molekulas pārvietojas nejauši, un tādējādi koncentrācija abās pusēs kļūst vienādāka. Osmotisko spiedienu var piemērot tā, ka šķīdinātāja neto kustība caur membrānu nenotiek.
Kādi faktori ietekmē bioloģisko membrānu caurlaidību?
A: Caurlaidība bioloģiskajās membrānās ir atkarīga no šķīdības, lādiņa vai ķīmiskā sastāva, kā arī no šķīdinātāja lieluma.
J: Kā ūdens molekulas pārvietojas pa bioloģiskajām membrānām?
A: Ūdens molekulas pārvietojas pa bioloģiskajām membrānām, difundējot caur fosfolipīdu divkārtu.
J: Kāda nozīme ir osmozei dzīvās sistēmās?
A: Dzīvās sistēmās osmoze nodrošina ūdens iekļūšanu šūnās un izkļūšanu no tām un palīdz uzturēt turgorspiedienu šūnās, radot līdzsvaru starp šūnas iekšpusi un vidi.
J: Kā molārā koncentrācija ietekmē osmotisko spiedienu?
O: Osmotiskais spiediens ir atkarīgs no šķīdinātāja molārās koncentrācijas; lai nenotiktu šķīdinātāja neto kustība caur membrānu, lielākai koncentrācijai ir nepieciešams lielāks ārējais spiediens.
Meklēt