Ósmosis y Diálisis-Difusión a través de Membranas
Algunos de los ejemplos más interesantes de difusión ocurren a través de barreras que afectan las tasas de difusión. Por ejemplo, cuando remojas un tobillo hinchado en sal de Epsom, el agua se difunde a través de la piel. Muchas sustancias se mueven regularmente a través de las membranas celulares; el oxígeno entra, el dióxido de carbono sale, los nutrientes entran y los desechos salen, por ejemplo. Porque las membranas son estructuras delgadas (típicamente 6.5 × 10-9 a 10 × 10-9 m de ancho) las tasas de difusión a través de ellos pueden ser altas. La difusión a través de membranas es un importante método de transporte. Las membranas son generalmente selectivamente permeables, o semipermeables. (Véase la Figura 3.) Un tipo de membrana semipermeable tiene poros pequeños que solo permiten el paso de pequeñas moléculas. En otros tipos de membranas, las moléculas pueden disolverse en la membrana o reaccionar con moléculas en la membrana mientras se mueven a través de ella. La función de la membrana, de hecho, es objeto de mucha investigación actual, que involucra no solo la fisiología, sino también la química y la física.
Figura 3. a) Una membrana semipermeable con poros pequeños que solo permiten el paso de pequeñas moléculas. (b) Ciertas moléculas se disuelven en esta membrana y se difunden a través de ella.
La ósmosis es el transporte de agua a través de una membrana semipermeable desde una región de alta concentración a una región de baja concentración. La ósmosis es impulsada por el desequilibrio en la concentración de agua. Por ejemplo, el agua está más concentrada en su cuerpo que en la sal de Epsom. Cuando remojas un tobillo hinchado en sal de Epsom, el agua sale de tu cuerpo hacia la región de menor concentración en la sal. De manera similar, la diálisis es el transporte de cualquier otra molécula a través de una membrana semipermeable debido a su diferencia de concentración. Tanto la ósmosis como la diálisis son utilizadas por los riñones para limpiar la sangre. La ósmosis puede crear una presión sustancial.
Considere lo que sucede si la ósmosis continúa durante algún tiempo, como se ilustra en la Figura 4. El agua se mueve por ósmosis desde la izquierda hacia la región de la derecha, donde está menos concentrada, haciendo que la solución de la derecha se eleve. Este movimiento continuará hasta que la presión pgh creada por la altura adicional del fluido a la derecha sea lo suficientemente grande como para detener la ósmosis. Esta presión se denomina contrapresión. La contrapresión pgh que detiene la ósmosis también se denomina presión osmótica relativa si ninguna solución es agua pura, y se denomina presión osmótica si una solución es agua pura. La presión osmótica puede ser grande, dependiendo del tamaño de la diferencia de concentración. Por ejemplo, si el agua pura y el agua de mar están separados por una membrana semipermeable que no pasa sal, la presión osmótica será de 25,9 atm. Este valor significa que el agua se difundirá a través de la membrana hasta que la superficie de agua salada se eleve 268 m por encima de la superficie de agua pura. Un ejemplo de presión creada por ósmosis es la turgencia en las plantas (muchas se marchitan cuando están demasiado secas). La turgencia describe la condición de una planta en la que el fluido de una célula ejerce una presión contra la pared celular. Esta presión da soporte a la planta. La diálisis también puede causar presiones sustanciales.
Figura 4. a) Dos soluciones de azúcar y agua de diferentes concentraciones, separadas por una membrana semipermeable que pasa agua, pero no azúcar. La ósmosis estará a la derecha, ya que el agua está menos concentrada allí. (b) El nivel del fluido aumenta hasta que la contrapresión pgh es igual a la presión osmótica relativa; entonces, la transferencia neta de agua es cero.
La ósmosis inversa y la diálisis inversa (también llamada filtración) son procesos que ocurren cuando la contrapresión es suficiente para invertir la dirección normal de las sustancias a través de las membranas. La contrapresión se puede crear de forma natural, como en el lado derecho de la Figura 4. (Un pistón también puede crear esta presión. La ósmosis inversa se puede utilizar para desalinizar el agua simplemente forzándola a través de una membrana que no pase sal. Del mismo modo, la diálisis inversa se puede usar para filtrar cualquier sustancia que una membrana determinada no pase.
Otro ejemplo del movimiento de sustancias a través de membranas merece mención. A veces encontramos que las sustancias pasan en la dirección opuesta a lo que esperamos. Las raíces de ciprés, por ejemplo, extraen agua pura del agua salada, aunque la ósmosis la movería en la dirección opuesta. Esto no es ósmosis inversa, porque no hay contrapresión para causarla. Lo que está sucediendo se llama transporte activo, un proceso en el que una membrana viva gasta energía para mover sustancias a través de ella. Muchas membranas vivas mueven el agua y otras sustancias por transporte activo. Los riñones, por ejemplo, no solo usan ósmosis y diálisis, sino que también emplean un importante transporte activo para mover sustancias hacia y desde la sangre. De hecho, se estima que al menos el 25% de la energía del cuerpo se gasta en el transporte activo de sustancias a nivel celular. El estudio del transporte activo nos lleva a los ámbitos de la microbiología, la biofísica y la bioquímica y es una aplicación fascinante de las leyes de la naturaleza a las estructuras vivas.