Osmose und Tonizität (Artikel) | Khan Akademie (2023)

Haben Sie schon einmal vergessen, eine Pflanze für ein paar Tage zu gießen, nur um Ihren frischen Rucola verwelkt vorzufinden? Dann wissen Sie bereits, dass der Wasserhaushalt für Pflanzen sehr wichtig ist. Wenn eine Pflanze verwelkt, geschieht dies, weil das Wasser aus ihren Zellen abfließt. Dadurch verlieren sie den Innendruck, den sogenannten Turgor, der die Pflanze normalerweise stützt.

Warum verschwindet Wasser aus Zellen? Die Wassermenge außerhalb der Zellen nimmt ab, wenn die Pflanze Wasser verliert, aber die gleiche Menge an Ionen und anderen Partikeln verbleibt im äußeren Bereich der Zellen. Diese Erhöhung der Konzentration vongelöste StoffeDurch einen Prozess, der als Osmose bekannt ist, zieht es Wasser aus den Zellen und in die extrazellulären Räume.

es ist formellOsmosedie Nettobewegung von Wasser durch eine semipermeable Membran von einem Bereich mit niedriger Konzentration an gelösten Stoffen zu einem Bereich mit höherer Konzentration an gelösten Stoffen. Das klingt zunächst seltsam, da wir normalerweise eher von der Diffusion gelöster Stoffe in Wasser sprechen als von der Bewegung des Wassers selbst, aber Osmose ist für viele biologische Prozesse wichtig und tritt oft gleichzeitig auf, wenn gelöste Stoffe diffundieren oder transportiert werden. Hier schauen wir uns genauer an, wie Osmose funktioniert und welche Rolle sie im Wasserhaushalt der Zellen spielt.

Warum bewegt sich Wasser von Gebieten mit weniger gelösten Stoffen in Gebiete mit höherer Konzentration an gelösten Stoffen?

Es ist eigentlich eine knifflige Frage. Um das zu beantworten, gehen wir einen Schritt zurück und schauen uns noch einmal an, warum Diffusion auftritt. Bei der Diffusion bewegen sich Moleküle von einem Bereich höherer Konzentration zu einem Bereich niedrigerer Konzentration, nicht weil sie sich ihrer Umgebung bewusst sind, sondern einfach aufgrund von Wahrscheinlichkeiten. Wenn eine Substanz in gasförmiger oder flüssiger Form vorliegt, befinden sich ihre Moleküle in ständiger zufälliger Bewegung, stoßen aneinander oder gleiten aneinander vorbei. Wenn sich viele Moleküle einer Substanz in Kompartiment A und keine Moleküle dieser Substanz in Kompartiment B befinden, ist es höchst unwahrscheinlich, ja unmöglich, dass sich ein Molekül zufällig von B nach A bewegt. Andererseits ist es sehr wahrscheinlich, dass sich ein Molekül von A nach B bewegt. Sie können sich vorstellen, dass alle diese Moleküle in Kompartiment A springen und einige von ihnen in Kompartiment B springen. Die Nettobewegung der Moleküle wird also von A nach sein B. Dies wird fortgesetzt, bis die Konzentrationen in beiden Kompartimenten gleich sind.

Bei der Osmose kann man sich wieder Moleküle vorstellen, diesmal Wassermoleküle, in zwei durch eine Membran getrennten Kompartimenten. Wenn keines der Kompartimente einen gelösten Stoff enthält, bewegen sich die Wassermoleküle wahrscheinlich in beide Richtungen zwischen den Kompartimenten. Wenn wir jedoch einem Kompartiment einen gelösten Stoff hinzufügen, beeinflusst dies die Wahrscheinlichkeit, dass Wassermoleküle dieses Kompartiment verlassen und in das andere Kompartiment gelangen; insbesondere verringert es diese Wahrscheinlichkeit.

Denn ist was? Dafür gibt es noch einige andere Erklärungen. Die Erklärung, die die beste wissenschaftliche Grundlage hat, ist, dass die gelösten Moleküle von der Membran abprallen, physikalisch von den Wassermolekülen abprallen, wodurch es weniger wahrscheinlich wird, dass sie die Membran passieren.$^{1,2}$1,2start hochgestellt, 1, vírgula, 2, end hochgestellt

Unabhängig von den genauen Mechanismen ist der entscheidende Punkt, dass je mehr gelöste Stoffe Wasser enthält, desto weniger kann es sich durch eine Membran in ein benachbartes Kompartiment bewegen. Dies führt zu einer Nettobewegung von Wasser aus Gebieten mit niedrigerer Konzentration an gelösten Stoffen zu Gebieten mit höherer Konzentration an gelösten Stoffen.

Dieser Prozess wird hier im Becherglasbeispiel veranschaulicht, wo es einen Nettowasserfluss von der Kammer auf der linken Seite zur Kammer auf der rechten Seite gibt, bis die Konzentrationen der gelösten Stoffe nahezu gleich sind. Beachten Sie, dass die Konzentrationen in diesem Fall nicht vollkommen gleich werden, da der hydrostatische Druck, der von der steigenden Wassersäule auf der rechten Seite ausgeübt wird, der osmotischen Triebkraft entgegenwirkt und ein Gleichgewicht erzeugt, das kurz vor dem Konzentrationsausgleich endet.

Osmolalitätbeschreibt die Gesamtkonzentration aller gelösten Stoffe in einer Lösung. Eine Lösung mit niedriger Osmolarität hat weniger gelöste Stoffe pro Liter Lösung, während eine Lösung mit hoher Osmolarität mehr gelöste Stoffe pro Liter Lösung enthält. Wenn Lösungen mit unterschiedlichen Osmolaritäten durch eine Membran getrennt werden, die für Wasser, aber nicht für gelöste Stoffe durchlässig ist, wandert Wasser von der niedrigeren osmolaren Seite zur höheren osmolaren Seite.

Drei Begriffe, hyperosmotisch, hypoosmotisch und isosmotisch, werden verwendet, um die relativen Osmolaritäten zwischen Lösungen zu beschreiben. Wenn beispielsweise zwei Lösungen mit unterschiedlichen Osmolaritäten verglichen werden, wird die Lösung mit der höheren Osmolarität als betrachtethyperosmotischund die Lösung mit niedrigerer Osmolarität alshyposmotischfestgelegt. Wenn zwei Lösungen die gleiche Osmolarität haben,isosmotischgenannt.

In Medizin- und Biologielabors ist es oft hilfreich, darüber nachzudenken, wie Lösungen die Bewegung von Wasser in und aus Zellen beeinflussen. Die Fähigkeit einer extrazellulären Lösung, Wasser durch Osmose in eine oder aus einer Zelle zu bewegen, wird als Osmose bezeichnetTonizitätfestgelegt. Die Tonizität unterscheidet sich geringfügig von der Osmolarität, da sie die relativen Konzentrationen von gelösten Stoffen misst.midie Durchlässigkeit der Zellmembran für diese Stoffe wird berücksichtigt.

Drei Begriffe, hypertonisch, hypotonisch und isotonisch, werden verwendet, um zu beschreiben, ob eine Lösung dazu führt, dass Wasser in eine Zelle hinein oder aus ihr heraus strömt:

Wenn eine Zelle in ahypertonischDie Lösung wird vorgelegt, das Wasser wird flüssig.außenes verlässt die Zelle und die Zelle verliert an Volumen. Eine Lösung ist für die Zelle hypertonisch, wenn die Konzentration der gelösten Stoffe größer ist als die Konzentration innerhalb der Zelle und die gelösten Stoffe die Membran nicht passieren können.

Wenn eine Zelle in ahypotonDie Lösung wird vorgelegt, das Wasser wird flüssig.Siefließt in die Zelle und die Zelle nimmt an Volumen zu. Wenn die Konzentration der gelösten Stoffe außerhalb der Zelle geringer ist als innerhalb der Zelle und die gelösten Stoffe die Membran nicht passieren können, ist die Lösung für die Zelle hypotonisch.

Wenn eine Zelle in aisotonischLösung hinzugefügt wird, fließt kein Wasser in die Zelle hinein oder aus ihr heraus, und das Volumen der Zelle ändert sich nicht. Wenn die Konzentration der gelösten Stoffe innerhalb und außerhalb der Zelle gleich ist und die gelösten Stoffe die Membran nicht passieren können, ist die Lösung für die Zelle isotonisch.

Wenn eine Zelle in eine hypertonische Lösung gegeben wird, verlässt Wasser die Zelle und die Zelle schrumpft. In einer isotonischen Umgebung gibt es keine Nettobewegung von Wasser, sodass sich die Größe der Zellen nicht ändert. Wenn eine Zelle in eine hypotonische Umgebung gebracht wird, dringt Wasser in die Zelle ein und die Zelle schwillt an.

Im Fall der roten Blutkörperchen sind isotonische Bedingungen ideal und Ihr Körper hat sie.homöostatisch(Stabilitätserhaltungs-)Systeme, um sicherzustellen, dass diese Bedingungen konstant bleiben. In einer hypotonischen Lösung schwillt ein rotes Blutkörperchen an und kann platzen, während es sich in einer hypertonischen Lösung zusammenzieht, wodurch das Zytoplasma dichter und konzentrierter wird und absterben kann.

Im Falle einer Pflanzenzelle ist jedoch eine hypotonische extrazelluläre Flüssigkeit ideal. Die Plasmamembran kann sich nur bis zur festen Zellwand erstrecken, sodass die Zelle nicht platzen oder lysieren kann. Tatsächlich ist das Zytoplasma von Pflanzen im Allgemeinen etwas hypertonisch gegenüber der zellulären Umgebung und Wasser dringt bis zu seinem Innendruck in die Zelle ein:Turgur— vermeidet einen größeren Zustrom.

Die Aufrechterhaltung dieses Gleichgewichts von Wasser und gelösten Stoffen ist für die Pflanzengesundheit sehr wichtig. Wenn eine Pflanze nicht bewässert wird, wird die extrazelluläre Flüssigkeit isotonisch oder hypertonisch, was dazu führt, dass Wasser die Pflanzenzellen verlässt. Dies führt zu einem Turgorverlust, den Sie wahrscheinlich als Welken angesehen haben. Unter hypertonen Bedingungen kann sich die Zellmembran von der Wand lösen und das Zytoplasma kontrahieren, ein Zustand, der als bekannt istplasmolisierenaufgerufen wird (Abbildung links unten).

Tonizität ist ein Problem für alle Lebewesen, insbesondere für diejenigen, die keine starren Zellwände haben und in hyper- oder hypotonischen Umgebungen leben. Beispielsweise können Pantoffeltierchen (siehe unten) und Amöben, die Protisten ohne Zellwände sind, spezialisierte Strukturen haben, die als kontraktile Vakuolen bezeichnet werden. Eine kontraktile Vakuole sammelt überschüssiges Wasser aus der Zelle und pumpt es heraus, damit die Zelle nicht kollabiert, wenn sie Wasser aus ihrer hypotonischen Umgebung aufnimmt.