Diffusion und Osmose

Diffusion und Osmose sind wichtige Konzepte, die erklären, wie Wasser und andere Materialien, die Zellen benötigen, durch Zellmembranen transportiert werden.

Lassen Sie uns zuerst über die Diffusion sprechen. Er ist definiert als die Nettobewegung von Partikeln von einem Bereich mit hoher Konzentration zu einem Bereich mit niedrigerer Konzentration. Die abgestufte Änderung der Konzentration zwischen den beiden Bereichen wird als Konzentrationsgradient bezeichnet. Obwohl die Diffusion nettogerichtet ist, bewegen sich die Partikel aufgrund zufälliger Bewegung ständig in beide Richtungen, so dass sich die Partikel selbst im Gleichgewicht, wenn die Partikeldichte über den gesamten Konzentrationsgradienten gleich ist, weiterhin in beide Richtungen mit einer konstanten Austauschrate bewegen.

In ähnlicher Weise bewegt sich Wasser durch Diffusion in einem Prozess namens Osmose über Zellmembranen, aber nicht alles kann frei durch Zellmembranen gelangen, weshalb sie als semipermeabel bezeichnet werden. Dies ist wichtig, da es bedeutet, dass Zellen unterschiedliche Konzentrationen von gelösten Stoffen innerhalb und außerhalb ihrer Membranen regulieren und aufrechterhalten können. Abhängig von den relativen Konzentrationen gelöster Stoffe von Lösungen, die durch semipermeable Membranen getrennt sind, bezeichnen wir sie als hypotonisch, isotonisch oder hypertonisch. Hypoton ist, wenn die Konzentration des gelösten Stoffes innerhalb der Zelle im Vergleich zu außerhalb größer ist. Isotonisch ist, wenn die Konzentration des inneren gelösten Stoffes der äußeren Konzentration entspricht. Hyperton ist, wenn die äußere Konzentration des gelösten Stoffes die innere Konzentration des gelösten Stoffes übersteigt. Dies kann die Bewegung von Wasser in und aus der Zelle beeinflussen, da sich Wasser in den Bereich mit höherer Konzentration an gelösten Stoffen bewegt. Dies kann wiederum die Formen der Zellen beeinflussen, was zu Zellblähungen in hypotonen Lösungen führt, keine Formveränderungen in isotonischen Lösungen und die Zelle schrumpft in Gegenwart von hypertonischen Lösungen.

Die Fähigkeit des Wassers, in die Zellen einzudringen, unterscheidet sich zwischen pflanzlichen und tierischen Zellen aufgrund des Vorhandenseins einer zusätzlichen pflanzlichen Zellwand. Zellwände sind starr und nur für kleine Moleküle durchlässig. Wenn Wasser in Pflanzenzellen eindringt, wird die Membran gegen die Zellwand gedrückt, wodurch hydrostatischer oder Turgordruck entsteht. Dieser Druck begrenzt die Menge und Geschwindigkeit, mit der Wasser in die Zelle eindringen kann.

Die Diffusion ist auch ein wichtiger limitierender Faktor für die Zellgröße und erklärt, warum einzellige Organismen im Allgemeinen sehr klein sind. Mehrzellige Organismen bestehen aus vielen kleinen Zellen, was zu einem größeren Verhältnis von Gesamtoberfläche zu Volumen und höheren Diffusionsraten führt. Viele Aspekte unserer Physiologie, wie Atmung und Verdauung, beruhen auf Diffusion. Zum Beispiel hat die menschliche Lunge viele kleine Lungenbläschen, die wie kleine Taschen aussehen. Diese zusätzliche Oberfläche macht die Lunge effizienter bei der Diffusion von Gasen in und aus dem Blutkreislauf.

In diesem Labor verwenden Sie zwei Zellmodelle, einen Agarwürfel und einen Dialyseschlauch, um die Prinzipien der Diffusion und Osmose zu testen.