Диффузия и осмос
176,381 Views
Клеточные мембраны и диффузия
Для того чтобы функционировать, клетки должны перемещать вещества внутрь и из цитоплазмы через клеточные мембраны. Эти мембраны являются полупроницаемыми, что означает, что через них могут проходить определенные молекулы, но не другие. Это движение молекул опосредовано фосфолипидным бислоем и встроенными в него белками, некоторые из которых действуют как транспортные каналы для молекул, которые в противном случае не смогли бы пройти через мембрану, таких как ионы и углеводы.
Размер ячейки и отношение площади поверхности к объему
Одна из причин, по которой клетки такие маленькие, заключается в необходимости транспортировки молекул внутрь, через клетку и из нее. Существует геометрическое ограничение на клетки из-за соотношения между площадью поверхности и объемом, что ограничивает способность доставлять достаточное количество питательных веществ для поддержания большего размера клеток. Соотношение между площадью поверхности и объемом (SA:V) уменьшается по мере увеличения размера ячейки из-за различных коэффициентов масштабирования площади поверхности и объема. Это означает, что по мере роста клетки уменьшается площадь мембраны, способной поставлять питательные вещества в больший объем клетки.
Некоторые ионы попадают в клетку в результате диффузии, которая представляет собой суммарное перемещение частиц из области с высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией. Это называется перемещением «вниз» градиента концентрации. Диффузия является сеточно-направленной; В то время как суммарное движение частиц происходит вниз по градиенту концентрации, они постоянно движутся в обоих направлениях из-за случайного движения частиц. Это означает, что частицы в равновесных растворах все еще движутся, но с постоянным обменным курсом, поэтому раствор остается равномерно перемешанным. В водной среде, такой как клетка, этот процесс включает в себя растворенные ионы, известные как растворенные вещества, движущиеся через воду, растворитель. Это может происходить в открытой среде, например, краситель распространяется через стакан, или через клеточную мембрану, например, ионы движутся через белковый канал.
Осмос и движение воды
Вода перемещается по клеточным мембранам путем диффузии, в процессе, известном как осмос. Осмос относится к движению воды через полупроницаемую мембрану, при этом растворитель (например, вода) перемещается из области с низкой концентрацией растворенного вещества (растворенного материала) в область с высокой концентрацией растворенного вещества. В этом случае полупроницаемая мембрана не пропускает растворенное вещество. Это можно представить как движение воды вниз по собственному градиенту концентрации и включает в себя тот же случайный процесс, что и диффузия.
Растворы, разделенные полупроницаемыми мембранами, могут быть описаны как гипертонические, гипотонические или изотонические в зависимости от относительных концентраций растворенных веществ в каждом из них. Раствор, который является гипертоническим (hyper- означает «выше» на греческом языке), имеет большую концентрацию растворенных веществ, чем соседний раствор, в то время как гипотонический раствор (hypo- означает «ниже» на греческом) имеет меньшую концентрацию растворенных веществ. В этой ситуации вода будет перемещаться из гипотонического раствора в гипертонический до тех пор, пока концентрации растворенных веществ не сравняются. Растворы, которые являются изотоническими (iso- в переводе с греческого означает «равный»), имеют равные концентрации растворенного вещества, и поэтому не имеют градиента концентрации 1.
Осмос и растительная клетка
Способность воды проникать в клетки различается между растительными и животными клетками из-за наличия клеточной стенки у растений. Клеточные стенки жесткие и проницаемы только для очень мелких молекул. По мере того, как вода проникает в клетку, мембрана прижимается к клеточной стенке, создавая гидростатическое или тургорное давление. Это давление ограничивает скорость и количество воды, которая может попасть в ячейку. Вероятность попадания воды в ячейку называется водным потенциалом, определяемым количественно как потенциал давления плюс растворенный потенциал. Потенциал давления зависит от давления внутри клетки, а потенциал растворенного вещества зависит от концентрации растворенного вещества в ячейке.
Водный потенциал можно наблюдать в действии в клетке живого растения, такой как элодея, водное растение. Под микроскопом можно наблюдать явление, называемое цитоплазматическим потоком, или циклозом, при котором цитоплазма и органеллы, такие как хлоропласты, перемещаются по всей клетке. Этот процесс заметно изменяется, когда клетки погружаются в различные растворы. Интересно, что это движение позволяет хлоропластам более эффективно функционировать в процессе фотосинтеза; Они входят в тени и выходят из нее, собирая фотоны, когда они снова входят в освещенные области клеток.
Процесс осмоса имеет важное значение для механизма, с помощью которого растения получают воду от корней к листьям, даже на высоте десятков футов над уровнем земли. Короче говоря, растения транспортируют сахара и другие растворенные вещества к своим корням, чтобы создать градиент между внутренней и внешней частями корня; Затем вода из почвы поступает к корню путем осмоса. С этого момента процесс, называемый транспирацией, приводит к тому, что вода поднимается вверх по трубкам внутри растения, называемым ксилемой, и испаряется из листьев. В идеале, как только эта толща воды установится, она останется нетронутой на протяжении всего срока службы растения. 4
Это естественное явление было использовано для разработки ценных технологий. Одним из примеров является очистка воды. Недавно НАСА начало изучать использование процесса прямого осмоса для очистки и повторного использования сточных вод на борту Международной космической станции, а также для наземных применений. 2 В этом процессе используются полупроницаемые мембраны для удаления примесей из воды, что делает ее безопасной для питья. Эта технология была недавно развернута для оказания помощи в ликвидации последствий сильного наводнения в Западной Кении.
Ссылки
- Сульт, Эллисон. LibreTexts, Химия. 8.4 Осмос и диффузия. [Онлайн] 19 октября 2017 года. 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.
- Левин, Говард. Мешок для переднего осмоса НАСА. Космический центр Кеннеди НАСА, мыс Канаверал, Флорида, США. [Онлайн] 11 июля 2018 года. https://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/experiments/846.html.
- Додонова С.О., Булычев А.А. (2011). «Влияние цитоплазматического потока на фотосинтетическую активность хлоропластов в междоузлиях Chara corallina». Российский журнал физиологии растений. 59: 35–41. DOI:10.1134/S1021443711050050.
- Осмос и подкормка растений. Хаммер, Майкл. 2000, Рододендрон, том 40.
- Инновации в технологии гидратации. Гуманитарная фильтрация воды методом прямого осмоса. [Онлайн] [Дата обращения: 21 августа 2018 г.] http://www.htiwater.com/divisions/humanitarian/lead_story.html.
