Dyfuzja i osmoza
176,778 Views
Błony komórkowe i dyfuzja
Aby funkcjonować, komórki muszą przenosić materiały do i z cytoplazmy przez błony komórkowe. Błony te są półprzepuszczalne, co oznacza, że niektóre cząsteczki mogą przez nie przechodzić, ale inne nie. W tym ruchu cząsteczek pośredniczy dwuwarstwa fosfolipidowa i osadzone w niej białka, z których niektóre działają jako kanały transportowe dla cząsteczek, które w przeciwnym razie nie byłyby w stanie przejść przez błonę, takich jak jony i węglowodany.
Rozmiar komórki i stosunek powierzchni do objętości
Jednym z powodów, dla których komórki są tak małe, jest potrzeba transportu cząsteczek do komórki, przez nią i z niej. Istnieje ograniczenie geometryczne komórek ze względu na zależność między powierzchnią a objętością, która ogranicza zdolność do wprowadzenia wystarczającej ilości składników odżywczych, aby utrzymać większy rozmiar komórki. Stosunek powierzchni do objętości (SA:V) zmniejsza się wraz ze wzrostem rozmiaru komórki ze względu na różne współczynniki skalowania pola powierzchni i objętości. Oznacza to, że gdy komórka rośnie, powierzchnia błony jest mniejsza, aby dostarczyć składniki odżywcze do większej objętości komórki.
Niektóre jony są wprowadzane do komórki przez dyfuzję, która jest ruchomym ruchem cząstek z obszaru o wysokim stężeniu do obszaru o niższym stężeniu. Jest to znane jako przesuwanie się "w dół" gradientu stężenia. Dyfuzja jest kierunkowa netto; Podczas gdy ruch netto cząstek jest w dół gradientu stężeń, stale poruszają się one w obu kierunkach z powodu losowego ruchu cząstek. Oznacza to, że cząstki w roztworach w stanie równowagi nadal się poruszają, ale ze stałym kursem wymiany, więc roztwór pozostaje równomiernie wymieszany. W środowisku wodnym, takim jak komórka, proces ten obejmuje rozpuszczone jony, znane jako substancje rozpuszczone, przemieszczające się przez wodę, rozpuszczalnik. Może to mieć miejsce w otwartym środowisku, takim jak barwnik rozprzestrzeniający się przez zlewkę lub przez błonę komórkową, na przykład jony przemieszczające się przez kanał białkowy.
Osmoza i ruch wody
Woda przemieszcza się przez błony komórkowe poprzez dyfuzję, w procesie znanym jako osmoza. Osmoza odnosi się w szczególności do ruchu wody przez półprzepuszczalną membranę, przy czym rozpuszczalnik (na przykład woda) przemieszcza się z obszaru o niskim stężeniu substancji rozpuszczonej (rozpuszczonego materiału) do obszaru o wysokim stężeniu substancji rozpuszczonej. W takim przypadku półprzepuszczalna membrana nie przepuszcza substancji rozpuszczonej. Można to traktować jako wodę poruszającą się w dół własnego gradientu stężeń i obejmującą ten sam losowy proces, co dyfuzja.
Roztwory, które są oddzielone półprzepuszczalnymi membranami, można opisać jako hipertoniczne, hipotoniczne lub izotoniczne, w zależności od względnych stężeń substancji rozpuszczonej w każdym z nich. Roztwór, który jest hipertoniczny (hiper- oznacza "powyżej" w języku greckim) ma większe stężenie substancji rozpuszczonych niż sąsiedni roztwór, podczas gdy roztwór hipotoniczny (hypo- oznaczający "poniżej" w języku greckim) ma niższe stężenie substancji rozpuszczonych. W takiej sytuacji woda będzie przemieszczać się z roztworu hipotonicznego do roztworu hipertonicznego, aż stężenia substancji rozpuszczonej będą równe. Roztwory, które są izotoniczne (iso- oznacza "równy" w języku greckim) mają równe stężenia substancji rozpuszczonej, a zatem nie mają gradientu stężeń 1.
Osmoza i komórka roślinna
Zdolność wody do przemieszczania się do komórek jest różna między komórkami roślinnymi i zwierzęcymi ze względu na obecność ściany komórkowej w roślinach. Ściany komórkowe są sztywne i przepuszczalne tylko dla bardzo małych cząsteczek. Gdy woda dostaje się do komórki, błona jest dociskana do ściany komórkowej, wytwarzając ciśnienie hydrostatyczne lub turgorowe. To ciśnienie ogranicza szybkość i ilość wody, która może dostać się do komórki. Prawdopodobieństwo przedostania się wody do komórki określa się jako potencjał wodny, zdefiniowany ilościowo jako potencjał ciśnienia plus potencjał substancji rozpuszczonej. Potencjał ciśnienia zależy od ciśnienia wewnątrz ogniwa, a potencjał substancji rozpuszczonej zależy od stężenia substancji rozpuszczonej w komórce.
Potencjał wodny można zaobserwować w działaniu w żywej komórce roślinnej, takiej jak Elodea, roślina wodna. Pod mikroskopem można monitorować zjawisko zwane strumieniowaniem cytoplazmatycznym lub cyklozą, w którym cytoplazma i organelle, takie jak chloroplasty, poruszają się w komórce. Proces ten zmienia się widocznie, gdy komórki są zanurzone w różnych roztworach. Co ciekawe, ruch ten pozwala chloroplastom działać wydajniej w fotosyntezie; Poruszają się one w cieniu i z niego, zbierając fotony, gdy ponownie wchodzą w oświetlone obszary komórek3.
Proces osmozy jest niezbędny dla mechanizmu, w którym rośliny pobierają wodę z korzeni do liści, nawet kilkadziesiąt stóp nad poziomem gruntu. Krótko mówiąc, rośliny transportują cukry i inne substancje rozpuszczone do swoich korzeni w celu wytworzenia gradientu między wnętrzem a zewnętrzem korzenia; Woda z gleby następnie przemieszcza się do korzenia przez osmozę. Od tego momentu proces zwany transpiracją powoduje, że woda jest wciągana do rurek wewnątrz rośliny zwanej ksylemem i odparowuje liście. Idealnie, gdy ten słup wody zostanie ustalony, pozostaje nienaruszony przez całe życie rośliny. 4
To naturalnie występujące zjawisko zostało wykorzystane do opracowania cennych technologii. Jednym z przykładów jest oczyszczanie wody. Niedawno NASA rozpoczęła badania nad wykorzystaniem procesu osmozy do przodu do oczyszczania i ponownego wykorzystania ścieków na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, a także do zastosowań naziemnych. 2 W procesie tym wykorzystuje się półprzepuszczalne membrany do usuwania zanieczyszczeń z wody, dzięki czemu jest ona bezpieczna do picia. Technologia ta została niedawno wdrożona, aby pomóc w działaniach pomocowych po poważnej powodzi w zachodniej Kenii5.
Odwołania
- Soult, Allison. LibreTexts, Chemia. 8.4 Osmoza i dyfuzja. [Online] Październik 19, 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.
- Levine'a, Howarda. Torba NASA do przedniej osmozy. Centrum Kosmiczne NASA im. Kennedy'ego, Przylądek Canaveral, Floryda, Stany Zjednoczone. [Online] Lipiec 11, 2018. https://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/experiments/846.html.
- Dodonova SO, Bulychev AA (2011). "Wpływ strumieniowania cytoplazmatycznego na aktywność fotosyntetyczną chloroplastów w międzywęźlach Chara corallina". Rosyjski Dziennik Fizjologii Roślin. 59, s. 35–41. doi:10.1134/S1021443711050050.
- Osmoza i odżywianie roślin. Młot, Michał. 2000, Rododendron, tom 40.
- Innowacje w technologii nawilżania. Humanitarna filtracja wody z przodu. [Online] [Cytat: 21 sierpnia 2018 r.] http://www.htiwater.com/divisions/humanitarian/lead_story.html.
