osmoză și Dializă—difuzie peste membrane
unele dintre cele mai interesante exemple de difuzie apar prin bariere care afectează ratele de difuzie. De exemplu, atunci când înmuiați o gleznă umflată în sare Epsom, apa se difuzează prin piele. Multe substanțe se deplasează în mod regulat prin membranele celulare; oxigenul intră, dioxidul de carbon iese, nutrienții intră și deșeurile ies, de exemplu. Deoarece membranele sunt structuri subțiri (de obicei 6.5 10-9 până la 10 10-9 m diametru) ratele de difuzie prin ele pot fi ridicate. Difuzia prin membrane este o metodă importantă de transport. Membranele sunt, în general, selectiv permeabile sau semipermeabile. (A Se Vedea Figura 3.) Un tip de membrană semipermeabilă are pori mici care permit trecerea doar a moleculelor mici. În alte tipuri de membrane, moleculele se pot dizolva efectiv în membrană sau pot reacționa cu moleculele din membrană în timp ce se deplasează. Funcția membranei, de fapt, este subiectul multor cercetări actuale, care implică nu numai fiziologia, ci și chimia și fizica.
Figura 3. (a) o membrană semipermeabilă cu pori mici, care permit doar molecule mici pentru a trece prin. (B) anumite molecule se dizolvă în această membrană și difuzează peste ea.
osmoza este transportul apei printr-o membrană semipermeabilă dintr-o regiune cu concentrație ridicată într-o regiune cu concentrație scăzută. Osmoza este determinată de dezechilibrul concentrației apei. De exemplu, apa este mai concentrată în corpul tău decât în sarea Epsom. Când înmuiați o gleznă umflată în sare Epsom, apa se deplasează din corp în regiunea cu concentrație mai mică din sare. În mod similar, dializa este transportul oricărei alte molecule printr-o membrană semipermeabilă datorită diferenței sale de concentrație. Atât osmoza, cât și dializa sunt utilizate de rinichi pentru a curăța sângele. Osmoza poate crea o presiune substanțială.
luați în considerare ce se întâmplă dacă osmoza continuă o perioadă de timp, așa cum este ilustrat în Figura 4. Apa se deplasează prin osmoză din stânga în regiunea din dreapta, unde este mai puțin concentrată, determinând creșterea soluției din dreapta. Această mișcare va continua până când presiunea PGH creată de înălțimea suplimentară a fluidului din dreapta este suficient de mare pentru a opri osmoza ulterioară. Această presiune se numește contrapresiune. Contrapresiunea PGH care oprește osmoza se mai numește presiunea osmotică relativă dacă niciuna dintre soluții nu este apă pură și se numește presiunea osmotică dacă o soluție este apă pură. Presiunea osmotică poate fi mare, în funcție de mărimea diferenței de concentrație. De exemplu, dacă apa pură și apa de mare sunt separate de o membrană semipermeabilă care nu trece fără sare, presiunea osmotică va fi de 25,9 atm. Această valoare înseamnă că apa se va difuza prin membrană până când suprafața apei sărate se ridică la 268 m deasupra suprafeței apei pure! Un exemplu de presiune creat de osmoză este turgorul în plante (multe se ofilesc când sunt prea uscate). Turgorul descrie starea unei plante în care fluidul dintr-o celulă exercită o presiune asupra peretelui celular. Această presiune oferă suportul plantei. Dializa poate provoca în mod similar presiuni substanțiale.
Figura 4. (a) două soluții zahăr-apă cu concentrații diferite, separate printr-o membrană semipermeabilă care trece prin apă, dar nu prin zahăr. Osmoza va fi la dreapta, deoarece apa este mai puțin concentrată acolo. (b) nivelul fluidului crește până când contrapresiunea pgh este egală cu presiunea osmotică relativă; apoi, transferul net de apă este zero.
osmoza inversă și dializa inversă (numită și filtrare) sunt procese care apar atunci când contrapresiunea este suficientă pentru a inversa direcția normală a substanțelor prin membrane. Contrapresiunea poate fi creată în mod natural ca în partea dreaptă a figurii 4. (Un piston poate crea, de asemenea, această presiune.) Osmoza inversă poate fi utilizată pentru desalinizarea apei prin simpla forțare a acesteia printr-o membrană care nu va trece sarea. În mod similar, dializa inversă poate fi utilizată pentru a filtra orice substanță pe care o membrană dată nu o va trece.
un alt exemplu de mișcare a substanțelor prin membrane merită menționat. Uneori descoperim că substanțele trec în direcția opusă a ceea ce ne așteptăm. Rădăcinile copacilor de chiparos, de exemplu, extrag apa pură din apa sărată, deși osmoza ar muta-o în direcția opusă. Aceasta nu este osmoză inversă, deoarece nu există o contrapresiune care să o provoace. Ceea ce se întâmplă se numește transport activ, un proces în care o membrană vie consumă energie pentru a muta substanțe peste ea. Multe membrane vii deplasează apa și alte substanțe prin transport activ. Rinichii, de exemplu, nu numai că folosesc osmoză și Dializă—ei folosesc, de asemenea, un transport activ semnificativ pentru a muta substanțele în și din sânge. De fapt, se estimează că cel puțin 25% din energia organismului este cheltuită pentru transportul activ al substanțelor la nivel celular. Studiul transportului activ ne poartă în tărâmurile microbiologiei, biofizicii și biochimiei și este o aplicație fascinantă a legilor naturii la structurile vii.