Osmóza a Dialýza—Difúze přes Membrány
Některé z nejvíce zajímavé příklady difúze dojít přes překážky, které ovlivňují míru difúze. Například, když namočíte oteklý kotník do soli Epsom, voda difunduje přes kůži. Mnoho látek se pravidelně pohybuje buněčnými membránami; kyslík se pohybuje dovnitř, oxid uhličitý se pohybuje ven, živiny jdou dovnitř a odpady například. Protože membrány jsou tenké struktury (typicky 6.5 × 10-9 až 10 × 10-9 m napříč) difúzní rychlosti skrze ně mohou být vysoké. Difúze přes membrány je důležitým způsobem dopravy. Membrány jsou obecně selektivně propustné nebo semipermeabilní. (Viz Obrázek 3.) Jeden typ semipermeabilní membrány má malé póry, které umožňují procházet pouze malými molekulami. U jiných typů membrán se molekuly mohou ve skutečnosti rozpouštět v membráně nebo reagovat s molekulami v membráně při pohybu napříč. Membránová funkce je ve skutečnosti předmětem současného výzkumu, který zahrnuje nejen fyziologii, ale také chemii a fyziku.
obrázek 3. (a) semipermeabilní membrána s malými póry, které umožňují pouze malé molekuly projít. (b) určité molekuly se v této membráně rozpouštějí a difundují přes ni.
Osmóza je transport vody přes polopropustnou membránu z oblasti s vysokou koncentrací do oblasti s nízkou koncentrací. Osmóza je poháněna nerovnováhou v koncentraci vody. Například voda je ve vašem těle koncentrovanější než v soli Epsom. Když namočíte oteklý kotník do soli Epsom, voda se přesune z vašeho těla do oblasti s nižší koncentrací v soli. Podobně dialýza je transport jakékoli jiné molekuly přes semipermeabilní membránu v důsledku jejího koncentračního rozdílu. Obě osmóza a dialýza jsou používány ledvinami k čištění krve. Osmóza může vytvořit značný tlak.
zvažte, co se stane, pokud osmóza trvá nějakou dobu, jak je znázorněno na obrázku 4. Voda se pohybuje osmózou zleva do oblasti vpravo, kde je méně koncentrovaná, což způsobuje, že roztok vpravo stoupá. Tento pohyb bude pokračovat, dokud tlak pgh vytvořený extra výškou tekutiny vpravo nebude dostatečně velký, aby zastavil další osmózu. Tento tlak se nazývá protitlak. Protitlak pgh, který zastavuje osmózu, se také nazývá relativní osmotický tlak, pokud ani jeden roztok není čistá voda, a nazývá se osmotický tlak, pokud je jedním roztokem čistá voda. Osmotický tlak může být velký, v závislosti na velikosti koncentračního rozdílu. Pokud jsou například čistá voda a mořská voda odděleny semipermeabilní membránou, která neprochází žádnou solí, osmotický tlak bude 25,9 atm. Tato hodnota znamená, že voda bude difundovat přes membránu, dokud se sůl povrchová voda stoupá 268 m nad čistou vodní hladinou! Jedním z příkladů tlaku vytvářeného osmózou je turgor v rostlinách (mnoho vadne, když je příliš suché). Turgor popisuje stav rostliny, ve které tekutina v buňce vyvíjí tlak na buněčnou stěnu. Tento tlak dává rostlině podporu. Dialýza může podobně způsobit značné tlaky.
obrázek 4. a) dva roztoky cukru a vody o různých koncentracích, oddělené semipermeabilní membránou, která prochází vodou, ale ne cukrem. Osmóza bude vpravo, protože voda je tam méně koncentrovaná. (b) hladina kapaliny stoupá, dokud se protitlak pgh rovná relativnímu osmotickému tlaku; pak je čistý přenos vody nulový.
Reverzní osmóza a reverzní dialýzy (také volal filtrace) jsou procesy, které se vyskytují, když tlak je dostačující zvrátit normální směr látek přes membrány. Protitlak může být vytvořen přirozeně jako na pravé straně obrázku 4. (Píst může také vytvořit tento tlak.) Reverzní osmóza může být použita k odsolování vody pouhým vytlačením přes membránu, která neprojde solí. Podobně lze reverzní dialýzu použít k odfiltrování jakékoli látky, kterou daná membrána neprojde.
jeden další příklad pohybu látek přes membrány si zaslouží zmínku. Někdy zjistíme, že látky procházejí opačným směrem, než očekáváme. Například kořeny cypřišů extrahují čistou vodu ze slané vody, i když osmóza by ji pohybovala opačným směrem. Nejedná se o reverzní osmózu, protože neexistuje žádný zpětný tlak, který by ji způsobil. To, co se děje, se nazývá aktivní transport, proces, při kterém živá membrána vynakládá energii na pohyb látek přes ni. Mnoho živých membrán pohybuje vodou a dalšími látkami aktivním transportem. Například ledviny nepoužívají pouze osmózu a dialýzu—využívají také významný aktivní transport k přesunu látek do a z krve. Ve skutečnosti se odhaduje, že nejméně 25% energie těla je vynaloženo na aktivní transport látek na buněčné úrovni. Studium aktivní dopravy nás přivádí do sfér mikrobiologie, biofyziky a biochemie a je fascinující aplikací přírodních zákonů na živé struktury.