Osmoză şi tonicitate

Ai uitat vreodată, timp de câteva zile, să uzi plantele tale vioaie, 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, apa se elimină din celulele sale, cauzându-le pierderea presiunii interne - numită turgescență - care, în mod normal, menține viața plantei.

De ce apa părăseşte celulele? Cantitatea de apă din afara celulelor scade pe măsură ce planta pierde apă, dar în spaţiul din afara celulelor rămâne aceeaşi cantitate de ioni şi alte particule. Această creştere a particulelor solvite sau dizolvate, adică a concentrației 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. Aceasta poate părea ciudat, 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 solviților. 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 zona cu soluție sunt mai puțin concentrată în zone mai concentrate?

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, sărind sau alunecând una pe lângă alta. 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 și cele 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 solvit într-unul dintre compartimente, va afecta șansa ca moleculele de apă să se deplaseze dintr-un 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 sar de pe membrană și împing moleculele de apă în spate și mai departe de aceasta, scăzându-i 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 solvit. Astfel, fluxul de apă curge dinspre zona cu concentrație mai mică de solvit 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 solviților într-o soluție. O soluție cu o osmolaritate scăzută are mai puține particule de solvit pe litru de soluție, în timp ce o soluție cu osmolaritate mare are mai multe particule de solvit pe litru de soluție. Când soluțiile de osmolarități diferite sunt separate de o membrană permeabilă pentru apă, dar nu pentru solvit, apa se va deplasa din partea cu osmolaritate scăzută în partea cu osmolaritate ridicată.

Trei termeni -hiperosmotic, hipoosmotic și isoosmotic - 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 izoosmoticez

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 solviților și permeabilitatea membranei celulare pentru acei solviți.

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 solviților este mai mare decât cea din interiorul celulei, iar solviții 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 solviților din exteriorul celulei este mai mică decât cea din interior și solviții 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 solviților din exteriorul celulei este aceeași cu cea din interior, iar solviții 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 ar fi plasată într-o soluție hipotonică, o globulă roșie se va umfla și va exploda, iar într-o soluție hipertonică, se va zbârci -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 un alt influx.

Menținerea echilibrului hidric și solviților 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 -prezentați 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.