Difusão e osmose

Membranas Celulares e Difusão

Para funcionar, as células são obrigadas a mover materiais para dentro e para fora de seu citoplasma através de suas membranas celulares. Essas membranas são semipermeáveis, o que significa que certas moléculas podem passar, mas não outras. Esse movimento de moléculas é mediado pela bicamada fosfolipídica e suas proteínas incorporadas, algumas das quais atuam como canais de transporte para moléculas que, de outra forma, não seriam capazes de passar pela membrana, como íons e carboidratos.

Tamanho da célula e a relação entre a área de superfície e o volume

Uma das razões pelas quais as células são tão pequenas é a necessidade de transportar moléculas para dentro, através e para fora da célula. Existe uma restrição geométrica nas células devido à relação entre área de superfície e volume que limita a capacidade de trazer nutrientes suficientes para suportar um tamanho celular maior. A relação entre área de superfície e volume (SA:V) diminui à medida que a célula aumenta de tamanho devido aos diferentes fatores de escala de área de superfície e volume. Isso significa que, à medida que a célula cresce, há menos área de membrana capaz de fornecer nutrientes para um volume celular maior.

Alguns íons são trazidos para dentro da célula por difusão, que é o movimento líquido de partículas de uma área de alta concentração para uma área de menor concentração. Isso é conhecido como mover "para baixo" um gradiente de concentração. A difusão é direcional líquida; Enquanto o movimento líquido das partículas está abaixo do gradiente de concentração, elas estão constantemente se movendo em ambas as direções devido ao movimento aleatório das partículas. Isso significa que as partículas em soluções em equilíbrio ainda estão se movendo, mas a uma taxa de troca constante, de modo que a solução permanece uniformemente misturada. Em um ambiente aquoso como a célula, esse processo envolve íons dissolvidos, conhecidos como solutos, movendo-se através da água, o solvente. Pode ocorrer em um ambiente aberto, como o corante se espalhando através de um béquer, ou através de uma membrana celular, como íons se movendo através de um canal de proteína.

Osmose e o movimento da água

A água se move através das membranas celulares por difusão, em um processo conhecido como osmose. A osmose refere-se especificamente ao movimento da água através de uma membrana semipermeável, com o solvente (água, por exemplo) movendo-se de uma área de baixa concentração de soluto (material dissolvido) para uma área de alta concentração de soluto. Nesse caso, a membrana semipermeável não permite a passagem do soluto. Isso pode ser pensado como água descendo seu próprio gradiente de concentração e envolve o mesmo processo aleatório que a difusão.

As soluções separadas por membranas semipermeáveis podem ser descritas como hipertônicas, hipotônicas ou isotônicas, dependendo das concentrações relativas de soluto em cada uma. Uma solução hipertônica (hiper- significando "acima" em grego) tem uma concentração maior de solutos do que uma solução adjacente, enquanto uma solução hipotônica (hipo- significando "abaixo" em grego) tem uma concentração menor de solutos. Nessa situação, a água se moverá da solução hipotônica para a solução hipertônica até que as concentrações de soluto sejam iguais. As soluções isotônicas (iso- que significa "igual" em grego) têm concentrações iguais de soluto e, portanto, não têm um gradiente de concentração ¹.

Osmose e a célula vegetal

A capacidade da água de se mover para as células é diferente entre as células vegetais e animais devido à presença de uma parede celular nas plantas. As paredes celulares são rígidas e permeáveis apenas a moléculas muito pequenas. À medida que a água se move para dentro da célula, a membrana é empurrada contra a parede celular, criando pressão hidrostática ou turgor. Essa pressão limita a taxa e a quantidade de água que pode entrar na célula. A probabilidade de a água entrar em uma célula é chamada de potencial de água, definido quantitativamente como o potencial de pressão mais o potencial de soluto. O potencial de pressão depende da pressão dentro da célula e o potencial de soluto depende da concentração de soluto na célula.

O potencial hídrico pode ser observado em ação em uma célula vegetal viva, como Elodea, uma planta aquática. Sob o microscópio, um fenômeno chamado fluxo citoplasmático, ou ciclose, no qual o citoplasma e organelas como os cloroplastos se movem por toda a célula, pode ser monitorado. Esse processo muda visivelmente quando as células são imersas em diferentes soluções. Curiosamente, esse movimento permite que os cloroplastos funcionem com mais eficiência na fotossíntese; Eles se movem para dentro e para fora das sombras, coletando fótons quando reentram nas regiões iluminadas das células³.

O processo de osmose é essencial para o mecanismo pelo qual as plantas obtêm água de suas raízes para suas folhas, mesmo dezenas de metros acima do nível do solo. Em resumo, as plantas transportam açúcares e outros solutos para suas raízes a fim de gerar um gradiente entre o interior e o exterior da raiz; A água do solo então se move para a raiz por osmose. A partir desse ponto, um processo chamado transpiração resulta na água sendo puxada por tubos dentro da planta chamados xilema e evaporando as folhas. Idealmente, uma vez estabelecida essa coluna de água, ela permanece intacta durante toda a vida da planta. ⁴

Esse fenômeno natural tem sido usado para desenvolver tecnologias valiosas. Um exemplo é na purificação da água. Recentemente, a NASA começou a estudar o uso do processo de osmose direta para limpar e reutilizar águas residuais a bordo da Estação Espacial Internacional, bem como para aplicações terrestres. ² Este processo usa membranas semipermeáveis para remover as impurezas da água, tornando-a segura para beber. Essa tecnologia foi implantada recentemente para ajudar nos esforços de socorro após uma grave inundação no oeste do Quênia⁵.

Referências

1. Soult, Allison. LibreTexts, Química. 8.4 Osmose e Difusão. [Em linha] 19 de outubro de 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. Bolsa de Osmose Avançada da NASA. Centro Espacial Kennedy da NASA, Cabo Canaveral, Flórida, Estados Unidos. [Em linha] 11 de julho de 2018. https://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/experiments/846.html.
3. Dodonova SO, Bulychev AA (2011). 'Efeito do fluxo citoplasmático na atividade fotossintética dos cloroplastos nos entrenós de Chara corallina'. Jornal Russo de Fisiologia Vegetal. 59: 35–41. DOI:10.1134/S1021443711050050.
4. Osmose e Nutrição de Plantas. Martelo, Michael. 2000, O Rododendro, Vol. 40.
5. Inovações em tecnologia de hidratação. Filtragem de água por osmose direta humanitária. [Em linha] [Citado em: 21 de agosto de 2018.] http://www.htiwater.com/divisions/humanitarian/lead_story.html.