Osmose und Dialyse—Diffusion über Membranen
Einige der interessantesten Beispiele für Diffusion treten durch Barrieren auf, die die Diffusionsraten beeinflussen. Wenn Sie beispielsweise einen geschwollenen Knöchel in Bittersalz einweichen, diffundiert Wasser durch Ihre Haut. Viele Substanzen bewegen sich regelmäßig durch Zellmembranen; Sauerstoff bewegt sich in, Kohlendioxid bewegt sich aus, Nährstoffe gehen in, und Abfälle gehen aus, zum Beispiel. Da Membranen dünne Strukturen sind (typischerweise 6.5 × 10-9 bis 10 × 10-9 m Durchmesser) Diffusionsraten durch sie können hoch sein. Diffusion durch Membranen ist eine wichtige Transportmethode. Membranen sind im Allgemeinen selektiv permeabel oder semipermeabel. (Siehe Abbildung 3.) Eine Art semipermeable Membran hat kleine Poren, die nur kleine Moleküle durch überschreiten lassen. Bei anderen Arten von Membranen können sich die Moleküle tatsächlich in der Membran auflösen oder mit Molekülen in der Membran reagieren, während sie sich bewegen. Die Membranfunktion ist in der Tat Gegenstand vieler aktueller Forschungen, die nicht nur die Physiologie, sondern auch die Chemie und Physik betreffen.
Abbildung 3. (a) Eine semipermeable Membran mit kleinen Poren, die nur kleine Moleküle passieren lassen. (b) Bestimmte Moleküle lösen sich in dieser Membran auf und diffundieren darüber.
Osmose ist der Transport von Wasser durch eine semipermeable Membran von einem Bereich hoher Konzentration in einen Bereich niedriger Konzentration. Osmose wird durch das Ungleichgewicht in der Wasserkonzentration angetrieben. Zum Beispiel ist Wasser in Ihrem Körper konzentrierter als in Bittersalz. Wenn Sie einen geschwollenen Knöchel in Bittersalz einweichen, bewegt sich das Wasser aus Ihrem Körper in die Region mit niedrigerer Konzentration im Salz. In ähnlicher Weise ist Dialyse der Transport eines anderen Moleküls durch eine semipermeable Membran aufgrund ihres Konzentrationsunterschieds. Sowohl Osmose als auch Dialyse werden von den Nieren zur Reinigung des Blutes verwendet. Osmose kann einen erheblichen Druck erzeugen.
Überlegen Sie, was passiert, wenn die Osmose einige Zeit anhält, wie in Abbildung 4 dargestellt. Wasser bewegt sich durch Osmose von links in den Bereich rechts, wo es weniger konzentriert ist, wodurch die Lösung rechts ansteigt. Diese Bewegung wird fortgesetzt, bis der durch die zusätzliche Flüssigkeitshöhe rechts erzeugte Druck pgh groß genug ist, um eine weitere Osmose zu stoppen. Dieser Druck wird als Gegendruck bezeichnet. Der Gegendruck pgh, der die Osmose stoppt, wird auch als relativer osmotischer Druck bezeichnet, wenn keine der beiden Lösungen reines Wasser ist, und als osmotischer Druck, wenn eine Lösung reines Wasser ist. Der osmotische Druck kann je nach Größe des Konzentrationsunterschieds groß sein. Wenn beispielsweise reines Wasser und Meerwasser durch eine semipermeable Membran getrennt werden, die kein Salz durchlässt, beträgt der osmotische Druck 25,9 atm. Dieser Wert bedeutet, dass Wasser durch die Membran diffundiert, bis die Salzwasseroberfläche 268 m über die Reinwasseroberfläche steigt! Ein Beispiel für den durch Osmose erzeugten Druck ist Turgor in Pflanzen (viele welken, wenn sie zu trocken sind). Turgor beschreibt den Zustand einer Pflanze, in der die Flüssigkeit in einer Zelle einen Druck gegen die Zellwand ausübt. Dieser Druck gibt der Pflanze Unterstützung. Dialyse kann ebenfalls erheblichen Druck verursachen.
Abbildung 4. (a) Zwei Zucker-Wasser-Lösungen unterschiedlicher Konzentration, getrennt durch eine semipermeable Membran, die Wasser, aber keinen Zucker durchlässt. Die Osmose wird rechts sein, da das Wasser dort weniger konzentriert ist. (b) Der Flüssigkeitsstand steigt an, bis der Gegendruck pgh dem relativen osmotischen Druck entspricht; dann ist der Nettotransfer von Wasser Null.
Umkehrosmose und Rückwärtsdialyse (auch Filtration genannt) sind Prozesse, die auftreten, wenn der Gegendruck ausreicht, um die normale Richtung von Substanzen durch Membranen umzukehren. Der Gegendruck kann auf natürliche Weise erzeugt werden, wie auf der rechten Seite von Abbildung 4. (Ein Kolben kann diesen Druck auch erzeugen.) Umkehrosmose kann verwendet werden, um Wasser zu entsalzen, indem es einfach durch eine Membran gedrückt wird, die kein Salz durchlässt. In ähnlicher Weise kann die umgekehrte Dialyse verwendet werden, um jede Substanz herauszufiltern, die eine bestimmte Membran nicht passieren kann.
Ein weiteres Beispiel für die Bewegung von Substanzen durch Membranen verdient Erwähnung. Wir stellen manchmal fest, dass Substanzen in die entgegengesetzte Richtung gehen, als wir erwarten. Zypressenbaumwurzeln zum Beispiel extrahieren reines Wasser aus Salzwasser, obwohl Osmose es in die entgegengesetzte Richtung bewegen würde. Dies ist keine Umkehrosmose, da es keinen Gegendruck gibt, der dies verursacht. Was passiert, wird als aktiver Transport bezeichnet, ein Prozess, bei dem eine lebende Membran Energie aufwendet, um Substanzen darüber zu bewegen. Viele lebende Membranen bewegen Wasser und andere Substanzen durch aktiven Transport. Die Nieren zum Beispiel nutzen nicht nur Osmose und Dialyse — sie nutzen auch einen signifikanten aktiven Transport, um Substanzen in und aus dem Blut zu transportieren. Tatsächlich wird geschätzt, dass mindestens 25% der Körperenergie für den aktiven Transport von Substanzen auf zellulärer Ebene aufgewendet werden. Das Studium des aktiven Transports führt uns in die Bereiche der Mikrobiologie, Biophysik und Biochemie und ist eine faszinierende Anwendung der Naturgesetze auf lebende Strukturen.