Osmoză și tonicitate

Ai uitat vreodată să-ți uzi plantele timp de câteva zile, ca apoi să le găsești ofilite? Dacă ai pățit asta, deja știi că echilibrul hidric este foarte important pentru plante. Când o plantă se ofilește, se elimină apa din celulele sale, cauzând pierderea presiunii interne — numită turgescență — care, în mod normal, susține planta.

De ce părăsește apa celulele? Cantitatea de apă din afara celulelor scade pe măsură ce planta pierde apă, dar în spațiul din afara celulelor rămâne aceeași cantitate de ioni și alte particule. Această creștere a concentrației particulelor solvite sau dizolvate scoate apa din celule în mediul extracelular într-un proces cunoscut sub numele de osmoză.

Formal, osmoza este deplasarea apei printr-o membrană semipermeabilă, dintr-o zonă cu concentrație scăzută, într-o zonă cu concentrație mai mare. Poate părea ciudat inițial, pentru că, de obicei, discutăm despre difuziunea substanțelor dizolvate în apă, dar nu și despre mișcarea apei în sine. Totuși, osmoza este importantă pentru multe procese biologice și, deseori, are loc în același timp cu difuziunea sau transportul soluților. În continuare, vom privi în detaliu cum funcționează osmoza, dar și rolul pe care îl are în echilibrul hidric al celulei.

De ce se mută apa din zone unde soluții sunt mai puțin concentrați în zone în care sunt mai concentrați?

Această întrebare este complicată. Pentru a răspunde la ea, să facem un pas în spate și să ne amintim despre difuziune. În timpul difuziunii, moleculele se deplasează dintr-o regiune cu concentrație mare, într-una cu concentrație mai mică — nu pentru că sunt conștiente de împrejurimile lor, ci ca un rezultat al probabilității. Când o substanță este în formă lichidă sau gazoasă, moleculele sale sunt în mișcare continuă și aleatorie, ciocnindu-se sau trecând unele pe lângă altele. Dacă există multe molecule dintr-o substanță în compartimentul A și nicio moleculă din acea substanță în compartimentul B, este foarte improbabil — imposibil, chiar — ca o moleculă să se deplaseze din B în A. Pe de altă parte, este foarte probabil ca o moleculă să se deplaseze de la A la B. Te poți gândi la toate acele molecule mișcându-se prin compartimentul A, iar câteva care sar în compartimentul B. Deci, deplasarea moleculelor va fi de la A la B, iar aceasta se va petrece până când concentrațiile devin egale.

În cazul osmozei, te poți gândi din nou la molecule — de această dată, de apă — împărțite în două compartimente, separate de o membrană. Dacă niciunul dintre compartimente nu conține soluți, moleculele de apă au șanse egale de a se deplasa în oricare dintre direcții între compartimente. Dar, dacă adăugăm solut într-unul dintre compartimente, va afecta șansa ca moleculele de apă să se deplaseze din acel compartiment în celălalt — mai exact, va reduce această probabilitate.

De ce se întâmplă asta? Există câteva explicații. Cea cu cel mai bun suport științific presupune că moleculele de solut ricoșează din membrană și împing moleculele de apă în spate și mai departe de aceasta, scăzându-le șansele de a traversa${}^{1,2}$‍.

Indiferent de mecanismele exacte implicate, punctul cheie îl reprezintă faptul că apei îi este mai greu să traverseze membrana într-un compartiment adiacent cu cât conține mai mult solut. Aceasta rezultă într-un transfer net de apă dinspre zona cu concentrație mai mică de solut către zona cu concentrație mai mare.

Acest proces este ilustrat în exemplul de mai jos, unde există o mișcare a apei din compartimentul din stânga în cel din dreapta până când concentrațiile sunt aproape echilibrate. Reține că, în acest caz, nu devin perfect egale pentru că presiunea hidrostatică exerciată de coloana de apă din dreapta se va opune presiunii osmotice, creând un echilibru care oprește egalizarea concentrațiilor.

Osmolaritatea descrie concentrația totală a soluților într-o soluție. O soluție cu o osmolaritate scăzută are mai puține particule de solut pe litru de soluție, în timp ce o soluție cu osmolaritate mare are mai multe particule de solut pe litru de soluție. Când soluțiile de osmolarități diferite sunt separate de o membrană permeabilă pentru apă, dar nu pentru solut, apa se va deplasa din partea cu osmolaritate scăzută în partea cu osmolaritate ridicată.

Trei termeni — hiperosmotică, hipoosmotică și izoosmotică — sunt utilizați pentru a descrie osmolaritatea relativă dintre soluții. De exemplu, când sunt comparate două soluții cu osmolarități diferite, soluția cu osmolaritate mai mare este considerată hiperosmotică față de cealaltă, iar soluția cu osmolaritate mică este considerată hipoosmotică. Dacă două soluții au aceeași osmolaritate, sunt considerate izoosmotice.

În centrele medicale și laboratoarele de biologie, este deseori util să ne gândim cum afectează soluțiile deplasarea apei în și din celulă. Abilitatea unei soluții extracelulare de a determina deplasarea apei în și din celulă prin osmoză se numește tonicitatea acesteia. Tonicitatea este ușor diferită față de osmolaritate, deoarece ia în considerare și concentrația soluților și permeabilitatea membranei celulare pentru acei soluți.

Trei termeni — hipertonică, hipotonică și izotonică — sunt folosiți pentru a descrie dacă o soluție va face apa să intre sau să iasă dintr-o celulă:

Dacă o celulă este plasată într-o soluție hipertonică, va exista o deplasare a apei din celulă, iar aceasta își va pierde din volum. O soluție este hipertonică față de o celulă atunci când concentrația soluților este mai mare decât cea din interiorul celulei, iar soluții nu pot traversa membrana.

Dacă o celulă este plasată într-o soluție hipotonică, va exista o deplasare a apei în celulă, iar acesteia i se va mări volumul. În cazul în care concentrația soluților din exteriorul celulei este mai mică decât cea din interior și soluții nu pot traversa membrana, atunci soluția este hipotonică față de celulă.

Dacă o celulă este plasată într-o soluție izotonică, nu va exista nicio deplasare a apei din sau în celulă, iar volumul va rămâne stabil. Când concentrația soluților din exteriorul celulei este aceeași cu cea din interior, iar soluții nu pot traversa membrana, atunci soluția este izotonică față de celulă.

Dacă o celulă este plasată într-o soluție hipertonică, apa va părăsi celula, iar celula se va micșora. Într-un mediu izotonic, nu există nicio deplasare a apei, deci nu există nicio modificare a mărimii celulei. Când o celulă este plasată într-un mediu hipotonic, apa va intra în celulă, iar aceasta se va umfla.

În cazul globulelor roșii din sânge, condițiile izotonice sunt ideale, iar corpul tău are sisteme homeostatice (care mențin stabilitatea) pentru a se asigura că aceste condiții rămân constante. Dacă este plasată într-o soluție hipotonică, o globulă roșie se va umfla și va exploda, iar într-o soluție hipertonică, se va stafidi — făcând citoplasma densă și conținutul acesteia concentrat — și poate muri.

Însă, în cazul unei celule vegetale, o soluție extracelulară hipotonică este ideală. Membrana plasmatică se poate extinde doar până la peretele celular rigid, deci celula nu va exploda sau liza. De fapt, citoplasma plantelor este ușor hipertonică față de mediul celular, iar apa va intra în celulă până când presiunea internă — presiune de turgescență — previne influxul.

Menținerea echilibrului hidric și al soluților este foarte importantă pentru sănătatea plantei. Dacă o plantă nu este udată, mediul extracelular va deveni izotonic sau hipertonic, determinând apa să iasă din celulele plantei. Aceasta are ca rezultat o pierdere a turgescenței, care se observă prin ofilire. În condiții hipertonice, membrana celulară se poate detașa de perete și strânge citoplasma, o stare numită plasmoliză (în panoul din stânga de mai jos).

Tonicitatea este o preocupare a tuturor viețuitoarelor, în special a celor care nu prezintă pereți celulari rigizi și trăiesc în medii hiper- sau hipotonice. De exemplu, paramecii — ilustrați mai jos — și amibele, protiste fără pereți celulari, au structuri specializate numite vacuole contractile. O vacuolă contractilă colectează excesul de apă din celulă și îl pompează în exterior, prevenind leziuni ale celulei, cauzate de pătrunderea apei din mediul hipotonic.