Dyfuzja i osmoza

Dyfuzja i osmoza to ważne pojęcia, które wyjaśniają, w jaki sposób woda i inne materiały potrzebne komórkom są transportowane przez błony komórkowe.

Porozmawiajmy najpierw o dyfuzji. Definiuje się go jako ruch netto cząstek z obszaru o wysokim stężeniu do obszaru o niższym stężeniu. Stopniowana zmiana stężenia między tymi dwoma obszarami jest określana jako gradient stężenia. Chociaż dyfuzja jest kierunkowa netto, cząstki stale poruszają się w obu kierunkach z powodu ruchu losowego, więc nawet w stanie równowagi, gdy gęstość cząstek jest taka sama w całym gradiencie stężeń, cząstki nadal poruszają się w obu kierunkach ze stałym kursem wymiany.

Podobnie woda przemieszcza się przez błony komórkowe poprzez dyfuzję w procesie zwanym osmozą, ale nie wszystko może swobodnie przechodzić przez błony komórkowe, dlatego określa się je mianem półprzepuszczalnych. Jest to ważne, ponieważ oznacza, że komórki mogą regulować i utrzymywać różne stężenia substancji rozpuszczonych wewnątrz i na zewnątrz swoich błon. W zależności od względnych stężeń substancji rozpuszczonych w roztworach oddzielonych membranami półprzepuszczalnymi określamy je jako hipotoniczne, izotoniczne lub hipertoniczne. Hipotonik ma miejsce, gdy stężenie substancji rozpuszczonej jest większe wewnątrz komórki w porównaniu z na zewnątrz. Izotonik ma miejsce, gdy stężenie wewnętrznej substancji rozpuszczonej jest równe stężeniu zewnętrznemu. Hipertoniczny ma miejsce, gdy stężenie zewnętrznej substancji rozpuszczonej przekracza wewnętrzne stężenie substancji rozpuszczonej. Może to wpływać na ruch wody do i z komórki, gdy woda przemieszcza się do obszaru o większym stężeniu substancji rozpuszczonej. To z kolei może wpływać na kształty komórek, powodując wzdęcia komórek w roztworach hipotonicznych, brak zmian kształtu w roztworach izotonicznych, a komórka kurczy się w obecności roztworów hipertonicznych.

Zdolność wody do przemieszczania się do komórek jest różna między komórkami roślinnymi i zwierzęcymi ze względu na obecność dodatkowej ściany komórkowej rośliny. Ściany komórkowe są sztywne i przepuszczalne tylko dla małych cząsteczek. Kiedy woda dostaje się do komórek roślinnych, błona jest dociskana do ściany komórkowej, tworząc ciśnienie hydrostatyczne lub turgorowe. To ciśnienie ogranicza ilość i szybkość, z jaką woda może dostać się do komórki.

Dyfuzja jest również głównym czynnikiem ograniczającym wielkość komórek i pomaga wyjaśnić, dlaczego organizmy jednokomórkowe są na ogół bardzo małe. Organizmy wielokomórkowe składają się z wielu małych komórek, co daje większy stosunek całkowitej powierzchni do objętości i zwiększa szybkość dyfuzji. Wiele aspektów naszej fizjologii, takich jak oddychanie i trawienie, opiera się na dyfuzji. Na przykład ludzkie płuca mają wiele małych pęcherzyków płucnych, które są jak małe kieszenie. Ta dodatkowa powierzchnia sprawia, że płuca są bardziej wydajne w dyfuzji gazów do i z krwiobiegu.

W tym laboratorium użyjesz dwóch modeli komórek, kostki agarowej i rurki do dializy, aby przetestować zasady dyfuzji i osmozy.