Diffusione e osmosi

Membrane cellulari e diffusione

Per funzionare, le cellule sono tenute a spostare i materiali dentro e fuori dal loro citoplasma attraverso le loro membrane cellulari. Queste membrane sono semipermeabili, il che significa che alcune molecole possono passare, ma non altre. Questo movimento delle molecole è mediato dal doppio strato fosfolipidico e dalle sue proteine incorporate, alcune delle quali fungono da canali di trasporto per molecole che altrimenti non sarebbero in grado di passare attraverso la membrana, come ioni e carboidrati.

Dimensione delle celle e rapporto superficie/volume

Uno dei motivi per cui le cellule sono così piccole è la necessità di trasportare molecole dentro, attraverso e fuori la cellula. C'è un vincolo geometrico sulle cellule a causa della relazione tra area superficiale e volume che limita la capacità di portare abbastanza nutrienti per sostenere una cellula di dimensioni maggiori. Il rapporto tra superficie e volume (SA:V) diminuisce all'aumentare delle dimensioni della cella a causa dei diversi fattori di scala dell'area superficiale e del volume. Ciò significa che man mano che la cellula cresce, c'è meno area della membrana in grado di fornire nutrienti a un volume cellulare maggiore.

Alcuni ioni vengono portati nella cellula per diffusione, che è il movimento netto delle particelle da un'area di alta concentrazione a un'area di concentrazione inferiore. Questo è noto come spostamento "verso il basso" di un gradiente di concentrazione. La diffusione è direzionale netta; Mentre il movimento netto delle particelle è lungo il gradiente di concentrazione, esse si muovono costantemente in entrambe le direzioni a causa del movimento casuale delle particelle. Ciò significa che le particelle in soluzioni all'equilibrio sono ancora in movimento, ma a un tasso di cambio costante, quindi la soluzione rimane uniformemente miscelata. In un ambiente acquoso come la cellula, questo processo coinvolge ioni disciolti, noti come soluti, che si muovono attraverso l'acqua, il solvente. Può avvenire in un ambiente aperto, come il colorante che si diffonde attraverso un becher, o attraverso una membrana cellulare, come gli ioni che si muovono attraverso un canale proteico.

L'osmosi e il movimento dell'acqua

L'acqua si muove attraverso le membrane cellulari per diffusione, in un processo noto come osmosi. L'osmosi si riferisce specificamente al movimento dell'acqua attraverso una membrana semipermeabile, con il solvente (acqua, ad esempio) che si sposta da un'area a bassa concentrazione di soluto (materiale disciolto) a un'area ad alta concentrazione di soluto. In questo caso, la membrana semipermeabile non consente il passaggio del soluto. Questo può essere pensato come l'acqua che si muove lungo il proprio gradiente di concentrazione e coinvolge lo stesso processo casuale della diffusione.

Le soluzioni separate da membrane semipermeabili possono essere descritte come ipertoniche, ipotoniche o isotoniche a seconda delle concentrazioni relative di soluti in ciascuna. Una soluzione ipertonica (iper- che significa "sopra" in greco) ha una concentrazione di soluti maggiore rispetto a una soluzione adiacente, mentre una soluzione ipotonica (ipo- che significa "sotto" in greco) ha una concentrazione di soluti inferiore. In questa situazione, l'acqua si sposterà dalla soluzione ipotonica alla soluzione ipertonica fino a quando le concentrazioni di soluto non saranno uguali. Le soluzioni isotoniche (iso- che significa "uguale" in greco) hanno concentrazioni uguali di soluto e quindi non hanno un gradiente di concentrazione ¹.

L'osmosi e la cellula vegetale

La capacità dell'acqua di entrare nelle cellule è diversa tra le cellule vegetali e quelle animali a causa della presenza di una parete cellulare nelle piante. Le pareti cellulari sono rigide e permeabili solo a molecole molto piccole. Quando l'acqua si muove all'interno della cellula, la membrana viene spinta contro la parete cellulare, creando una pressione idrostatica, o turgore. Questa pressione limita la velocità e la quantità di acqua che può entrare nella cella. La probabilità che l'acqua si muova in una cella è indicata come potenziale d'acqua, definito quantitativamente come il potenziale di pressione più il potenziale di soluto. Il potenziale di pressione dipende dalla pressione all'interno della cella e il potenziale di soluto dipende dalla concentrazione di soluto nella cellula.

Il potenziale idrico può essere osservato in azione in una cellula vegetale vivente, come l'Elodea, una pianta acquatica. Al microscopio, è possibile monitorare un fenomeno chiamato flusso citoplasmatico, o ciclosi, in cui il citoplasma e gli organelli come i cloroplasti si muovono in tutta la cellula. Questo processo cambia visibilmente quando le cellule sono immerse in soluzioni diverse. È interessante notare che questo movimento consente ai cloroplasti di funzionare in modo più efficiente nella fotosintesi; Si muovono dentro e fuori dalle ombre, raccogliendo fotoni quando rientrano nelle regioni illuminate delle celle³.

Il processo di osmosi è essenziale per il meccanismo con cui le piante ottengono l'acqua dalle radici alle foglie, anche a decine di metri dal livello del suolo. In sintesi, le piante trasportano zuccheri e altri soluti alle loro radici in modo da generare un gradiente tra l'interno e l'esterno della radice; L'acqua del terreno si sposta poi alla radice per osmosi. Da quel punto, un processo chiamato traspirazione fa sì che l'acqua venga tirata su tubi all'interno della pianta chiamati xilema e faccia evaporare le foglie. Idealmente, una volta stabilita questa colonna d'acqua, rimane intatta per tutta la vita della pianta. ⁴

Questo fenomeno naturale è stato utilizzato per sviluppare tecnologie preziose. Un esempio è la depurazione dell'acqua. Recentemente, la NASA ha iniziato a studiare l'utilizzo del processo di osmosi diretta per pulire e riutilizzare le acque reflue a bordo della Stazione Spaziale Internazionale, nonché per applicazioni terrestri. ² Questo processo utilizza membrane semipermeabili per rimuovere le impurità dall'acqua, rendendola sicura da bere. Questa tecnologia è stata impiegata di recente per aiutare gli sforzi di soccorso dopo una grave alluvione nel Kenya occidentale⁵.

Referenze

1. Soult, Allison. LibreTexts, Chimica. 8.4 Osmosi e diffusione. [In linea] 19 ottobre 2017. https://chem.libretexts.org/LibreTexts/University_of_Kentucky/UK%3A_CHE_103_-_Chemistry_for_Allied_Health_(Soult)/Chapters/Chapter_8%3A_Properties_of_Solutions/8.4%3A_Osmosis_and_Diffusion.
2. Levine, Howard. Borsa per osmosi diretta della NASA. NASA Kennedy Space Center, Cape Canaveral, FL, Stati Uniti. [In linea] 11 luglio 2018. https://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/experiments/846.html.
3. Dodonova SO, Bulychev AA (2011). "Effetto del flusso citoplasmatico sull'attività fotosintetica dei cloroplasti negli internodi di Chara corallina". Giornale russo di fisiologia vegetale. 59: 35–41. DOI:10.1134/S1021443711050050.
4. Osmosi e nutrizione delle piante. Martello, Michael. 2000, Il rododendro, Vol. 40.
5. Innovazioni tecnologiche per l'idratazione. Filtrazione dell'acqua ad osmosi diretta umanitaria. [In linea] [Citato: 21 agosto 2018.] http://www.htiwater.com/divisions/humanitarian/lead_story.html.