확산 및 삼투

세포막과 확산

세포가 기능하기 위해서는 세포막을 통해 세포질 안팎으로 물질을 이동시켜야 합니다. 이 막은 반투과성이므로 특정 분자는 통과할 수 있지만 다른 분자는 통과할 수 없습니다. 이러한 분자의 이동은 인지질 이중층과 그 내장 단백질에 의해 매개되며, 그 중 일부는 이온 및 탄수화물과 같이 멤브레인을 통과할 수 없는 분자의 수송 채널 역할을 합니다.

Cell Size and the Surface-Area to Volume 비율

세포가 그토록 작은 한 가지 이유는 분자를 세포 안으로, 세포 전체로, 세포 밖으로 운반해야 하기 때문입니다. 표면적과 부피 사이의 관계로 인해 세포에 기하학적 제약이 있으며, 이는 더 큰 세포 크기를 지탱하기에 충분한 영양분을 가져오는 능력을 제한합니다. 표면적과 부피 사이의 비율(SA:V)은 표면적과 부피의 다른 스케일링 계수로 인해 세포의 크기가 증가함에 따라 감소합니다. 이는 세포가 커질수록 더 많은 세포량에 영양분을 공급할 수 있는 막 면적이 줄어든다는 것을 의미합니다.

일부 이온은 확산에 의해 세포로 유입되는데, 이는 농도가 높은 영역에서 낮은 농도 영역으로 입자가 순 이동하는 것입니다. 이를 농도 구배를 "아래로" 이동하는 것으로 알려져 있습니다. 확산은 순 방향성입니다. 입자의 순 이동은 농도 구배를 따라 내려가지만 입자의 무작위 운동으로 인해 양방향으로 지속적으로 움직입니다. 이것은 평형 상태에 있는 용액의 입자가 여전히 움직이고 있지만 일정한 교환 속도로 용액이 균일하게 혼합된 상태로 유지된다는 것을 의미합니다. 세포와 같은 수성 환경에서 이 과정에는 용질로 알려진 용존 이온이 용매인 물을 통해 이동하는 것이 포함됩니다. 비커를 통해 염료가 퍼지는 것과 같은 개방된 환경 또는 단백질 채널을 통해 이동하는 이온과 같은 세포막을 가로질러 발생할 수 있습니다.

삼투와 물의 움직임

물은 삼투압으로 알려진 과정에서 확산에 의해 세포막을 가로질러 이동합니다. 삼투압은 특히 반투과성 멤브레인을 가로지르는 물의 이동을 의미하며, 용매(예: 물)가 용질(용존 물질) 농도가 낮은 영역에서 용질 농도가 높은 영역으로 이동합니다. 이 경우 반투막은 용질이 통과하도록 허용하지 않습니다. 이것은 물이 자체 농도 구배를 따라 이동하는 것으로 생각할 수 있으며 확산과 동일한 무작위 과정을 포함합니다.

반투과성 멤브레인으로 분리된 용액은 각각의 상대적인 용질 농도에 따라 hypertonic, hypotoner 또는 isotonic으로 설명할 수 있습니다. 하이퍼 토닉 (그리스어로 "위"를 의미 함)은 인접한 솔루션보다 용질 농도가 더 높은 반면, 하이포 톤 용액 (그리스어로 "아래"를 의미 함) 용액은 용질 농도가 낮습니다. 이 상황에서 물은 용질 농도가 같아질 때까지 저장성 용액에서 고긴장성 용액으로 이동합니다. 등장성(isotonic, 그리스어로 "동일한"을 의미하는 iso-)인 용액은 용질의 농도가 동일하므로 농도 구배 ¹이 없습니다.

삼투와 식물 세포

물이 세포로 이동하는 능력은 식물에 세포벽이 있기 때문에 식물과 동물 세포 간에 다릅니다. 세포벽은 단단하고 매우 작은 분자만 투과할 수 있습니다. 물이 세포 안으로 들어가면 세포막이 세포벽에 부딪혀 위로 밀려 올라가 정수압 즉 터거(turgor) 압력이 생성됩니다. 이 압력은 셀로 들어갈 수 있는 물의 속도와 양을 제한합니다. 물이 세포로 이동할 가능성을 물 전위라고 하며, 압력 전위와 용질 전위로 정량적으로 정의됩니다. 압력 전위는 셀 내부의 압력에 따라 달라지며 용질 전위는 셀의 용질 농도에 따라 달라집니다.

수분 잠재력은 수생 식물인 Elodea와 같은 살아있는 식물 세포에서 활동하는 것을 관찰할 수 있습니다. 현미경으로 세포질 스트리밍(cytoplasmic streaming) 또는 사이클로시스(cyclosis)라고 하는 현상을 모니터링할 수 있는데, 이 경우 세포질과 엽록체와 같은 세포 소기관이 세포 전체에서 이동하는 현상을 모니터링할 수 있습니다. 이 과정은 세포가 다른 용액에 잠길 때 눈에 띄게 변합니다. 흥미롭게도, 이 움직임은 엽록체가 광합성에서 더 효율적으로 기능할 수 있도록 합니다. 그들은 그림자 안팎으로 이동하며 세포의 조명이 켜진 영역에 다시 들어갈 때 광자를 수집합니다³.

삼투 과정은 식물이 뿌리에서 잎까지, 심지어 지면에서 수십 피트 높이까지 물을 얻는 메커니즘에 필수적입니다. 요컨대, 식물은 뿌리의 내부와 외부 사이에 구배를 생성하기 위해 당분과 기타 용질을 뿌리로 운반합니다. 그런 다음 토양의 물은 삼투에 의해 뿌리로 이동합니다. 그 시점에서, 증산(transpiration)이라고 불리는 과정을 통해 물관부(xylem)라고 불리는 식물 내부의 관을 끌어올려 잎을 증발시킵니다. 이상적으로는 이 물기둥이 형성되면 식물의 수명 동안 그대로 유지됩니다. ⁴

이 자연적 현상은 가치 있는 기술을 개발하는 데 사용되었습니다. 한 가지 예는 정수 작용입니다. 최근 NASA는 국제 우주 정거장에서 폐수를 정화하고 재사용하기 위해 전방 삼투압 프로세스를 사용하는 연구와 지구로 향하는 응용 프로그램을 연구하기 시작했습니다. ² 이 공정은 반투과성 멤브레인을 사용하여 물의 불순물을 제거하여 안전하게 마실 수 있습니다. 이 기술은 최근 케냐 서부⁵에서 심각한 홍수가 발생한 후 구호 활동을 돕기 위해 배포되었습니다.

참조

1. 솔트, 앨리슨. LibreTexts, 화학. 8.4 삼투 및 확산. [온라인] 2017년 10월 19일. 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. 레빈, 하워드. NASA 전방 삼투 백. NASA 케네디 우주 센터, 케이프 커내버럴, 플로리다, 미국. [온라인] 2018년 7월 11일. https://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/experiments/846.html.
3. Dodonova SO, Bulychev AA (2011). 'Chara Corallina의 마디에서 엽록체의 광합성 활성에 대한 세포질 스트리밍의 효과'. 러시아 식물 생리학 저널. 59: 35–41. 도이 : 10.1134 / S1021443711050050.
4. 삼투와 식물 영양. 해머, 마이클. 2000년, 진달래, Vol. 40.
5. 수분 공급 기술 혁신. 인도주의적 전방 삼투 물 여과. [온라인] [인용: 2018년 8월 21일.] http://www.htiwater.com/divisions/humanitarian/lead_story.html.