Osmosi e dialisi—Diffusione attraverso le membrane
Alcuni degli esempi più interessanti di diffusione si verificano attraverso barriere che influenzano i tassi di diffusione. Ad esempio, quando si immerge una caviglia gonfia nel sale di Epsom, l’acqua si diffonde attraverso la pelle. Molte sostanze si muovono regolarmente attraverso le membrane cellulari; l’ossigeno entra, l’anidride carbonica esce, i nutrienti entrano e i rifiuti escono, per esempio. Perché le membrane sono strutture sottili (tipicamente 6.5 × 10-9 a 10 × 10-9 m attraverso) i tassi di diffusione attraverso di loro possono essere alti. La diffusione attraverso le membrane è un importante metodo di trasporto. Le membrane sono generalmente selettivamente permeabili o semipermeabili. (Vedi Figura 3.) Un tipo di membrana semipermeabile ha piccoli pori che consentono solo piccole molecole di passare attraverso. In altri tipi di membrane, le molecole possono effettivamente dissolversi nella membrana o reagire con molecole nella membrana mentre si muovono attraverso. La funzione della membrana, infatti, è oggetto di molte ricerche attuali, che coinvolgono non solo la fisiologia, ma anche la chimica e la fisica.
Figura 3. (a) Una membrana semipermeabile con piccoli pori che consentono solo piccole molecole di passare attraverso. (b) Alcune molecole si dissolvono in questa membrana e si diffondono attraverso di essa.
L’osmosi è il trasporto di acqua attraverso una membrana semipermeabile da una regione di alta concentrazione a una regione di bassa concentrazione. L’osmosi è guidata dallo squilibrio nella concentrazione dell’acqua. Ad esempio, l’acqua è più concentrata nel tuo corpo che nel sale di Epsom. Quando si immerge una caviglia gonfia nel sale di Epsom, l’acqua si sposta fuori dal corpo nella regione a concentrazione inferiore nel sale. Allo stesso modo, la dialisi è il trasporto di qualsiasi altra molecola attraverso una membrana semipermeabile a causa della sua differenza di concentrazione. Sia l’osmosi che la dialisi sono utilizzate dai reni per pulire il sangue. L’osmosi può creare una pressione sostanziale.
Considera cosa succede se l’osmosi continua per qualche tempo, come illustrato nella Figura 4. L’acqua si muove per osmosi da sinistra nella regione a destra, dove è meno concentrata, facendo salire la soluzione a destra. Questo movimento continuerà fino a quando la pressione pgh creata dall’altezza extra del fluido sulla destra è abbastanza grande da fermare un’ulteriore osmosi. Questa pressione è chiamata contropressione. Il pgh di contropressione che ferma l’osmosi inoltre è chiamato la pressione osmotica relativa se nessuna soluzione è acqua pura ed è chiamato la pressione osmotica se una soluzione è acqua pura. La pressione osmotica può essere grande, a seconda delle dimensioni della differenza di concentrazione. Ad esempio, se l’acqua pura e l’acqua di mare sono separate da una membrana semipermeabile che non passa sale, la pressione osmotica sarà di 25,9 atm. Questo valore significa che l’acqua si diffonderà attraverso la membrana fino a quando la superficie dell’acqua salata sale 268 m sopra la superficie dell’acqua pura! Un esempio di pressione creata dall’osmosi è il turgore nelle piante (molti appassiscono quando sono troppo secchi). Turgore descrive la condizione di una pianta in cui il fluido in una cellula esercita una pressione contro la parete cellulare. Questa pressione dà il supporto della pianta. La dialisi può allo stesso modo causare pressioni sostanziali.
Figura 4. a) Due soluzioni zucchero-acqua di diverse concentrazioni, separate da una membrana semipermeabile che fa passare l’acqua ma non lo zucchero. L’osmosi sarà a destra, poiché l’acqua è meno concentrata lì. (b) Il livello del fluido aumenta fino a quando la contropressione pgh è uguale alla pressione osmotica relativa; quindi, il trasferimento netto di acqua è zero.
L’osmosi inversa e la dialisi inversa (chiamata anche filtrazione) sono processi che si verificano quando la contropressione è sufficiente per invertire la normale direzione delle sostanze attraverso le membrane. Contropressione può essere creato naturalmente come sul lato destro della Figura 4. (Un pistone può anche creare questa pressione.) L’osmosi inversa può essere utilizzata per dissalare l’acqua semplicemente forzandola attraverso una membrana che non passerà il sale. Allo stesso modo, la dialisi inversa può essere utilizzata per filtrare qualsiasi sostanza che una data membrana non passerà.
Merita menzione un ulteriore esempio di movimento di sostanze attraverso le membrane. A volte scopriamo che le sostanze passano nella direzione opposta a quella che ci aspettiamo. Le radici degli alberi di cipresso, ad esempio, estraggono acqua pura dall’acqua salata, anche se l’osmosi la sposterebbe nella direzione opposta. Questa non è osmosi inversa, perché non c’è contropressione per causarla. Ciò che sta accadendo è chiamato trasporto attivo, un processo in cui una membrana vivente spende energia per spostare le sostanze attraverso di essa. Molte membrane viventi muovono l’acqua e altre sostanze con il trasporto attivo. I reni, ad esempio, non solo usano l’osmosi e la dialisi, ma impiegano anche un significativo trasporto attivo per spostare le sostanze dentro e fuori dal sangue. Infatti, si stima che almeno il 25% dell’energia del corpo sia speso per il trasporto attivo di sostanze a livello cellulare. Lo studio del trasporto attivo ci porta nei regni della microbiologia, della biofisica e della biochimica ed è un’affascinante applicazione delle leggi della natura alle strutture viventi.