Osmose og Dialyse—Diffusjon over Membraner
noen av de mest interessante eksemplene på diffusjon skjer gjennom barrierer som påvirker diffusjonshastigheten. For eksempel, når du suge en hovent ankel I Epsom salt, diffunderer vann gjennom huden din. Mange stoffer beveger seg regelmessig gjennom cellemembraner; oksygen beveger seg inn, karbondioksid beveger seg ut, næringsstoffer går inn og avfall går ut, for eksempel. Fordi membraner er tynne strukturer (typisk 6.5 × 10-9 til 10 × 10-9 m over) diffusjonsraten gjennom dem kan være høy. Diffusjon gjennom membraner er en viktig transportmetode. Membraner er vanligvis selektivt permeable eller semipermeable. (Se Figur 3.) En type semipermeabel membran har små porer som tillater bare små molekyler å passere gjennom. I andre typer membraner kan molekylene faktisk oppløses i membranen eller reagere med molekyler i membranen mens de beveger seg over. Membranfunksjon, faktisk, er gjenstand for mye aktuell forskning, som involverer ikke bare fysiologi, men også kjemi og fysikk.
Figur 3. en semipermeabel membran med små porer som tillater bare små molekyler å passere gjennom. (B) visse molekyler oppløses i denne membranen og diffunderer over den.
Osmose er transport av vann gjennom en semipermeabel membran fra en region med høy konsentrasjon til en region med lav konsentrasjon. Osmose er drevet av ubalansen i vannkonsentrasjon. For eksempel er vann mer konsentrert i kroppen din enn I Epsom salt. Når du suger en hovent ankel I Epsom salt, beveger vannet seg ut av kroppen din inn i den nedre konsentrasjonsområdet i saltet. På samme måte er dialyse transport av noe annet molekyl gjennom en semipermeabel membran på grunn av konsentrasjonsforskjellen. Både osmose og dialyse brukes av nyrene for å rense blodet. Osmose kan skape et betydelig trykk.
Vurder hva som skjer hvis osmose fortsetter i noen tid, som illustrert i Figur 4. Vann beveger seg ved osmose fra venstre inn i regionen til høyre, hvor det er mindre konsentrert, noe som fører til at løsningen til høyre stiger. Denne bevegelsen vil fortsette til trykket pgh opprettet av den ekstra høyden av væske til høyre er stor nok til å stoppe ytterligere osmose. Dette trykket kalles et tilbaketrykk. Mottrykket pgh som stopper osmose kalles også det relative osmotiske trykket hvis ingen av løsningene er rent vann, og det kalles det osmotiske trykket hvis en løsning er rent vann. Osmotisk trykk kan være stort, avhengig av størrelsen på konsentrasjonsforskjellen. For eksempel, hvis rent vann og sjøvann separeres av en semipermeabel membran som ikke passerer salt, vil osmotisk trykk være 25,9 atm. Denne verdien betyr at vann vil diffundere gjennom membranen til saltvannsoverflaten stiger 268 m over rentvannsoverflaten! Et eksempel på trykk skapt av osmose er turgor i planter (mange vil når det er for tørt). Turgor beskriver tilstanden til en plante der væsken i en celle utøver et trykk mot celleveggen. Dette trykket gir anlegget støtte. Dialyse kan også forårsake betydelig press.
Figur 4. (A) to sukkervannsløsninger av forskjellige konsentrasjoner, adskilt av en semipermeabel membran som passerer vann, men ikke sukker. Osmose vil være til høyre, siden vann er mindre konsentrert der. (b) væskenivået stiger til mottrykket pgh er lik det relative osmotiske trykket; deretter er nettoverføringen av vann null.
Omvendt osmose og omvendt dialyse (også kalt filtrering) er prosesser som oppstår når mottrykk er tilstrekkelig til å reversere stoffets normale retning gjennom membraner. Mottrykk kan opprettes naturlig som på høyre side Av Figur 4. (Et stempel kan også skape dette trykket. Omvendt osmose kan brukes til å avsalt vann ved å tvinge den gjennom en membran som ikke vil passere salt. På samme måte kan omvendt dialyse brukes til å filtrere ut ethvert stoff som en gitt membran ikke vil passere.
et ytterligere eksempel på bevegelse av stoffer gjennom membraner fortjener omtale. Vi finner noen ganger at stoffer passerer i retning motsatt det vi forventer. Cypress trerøtter, for eksempel, trekke rent vann fra saltvann, selv om osmose ville flytte den i motsatt retning. Dette er ikke omvendt osmose, fordi det ikke er noe mottrykk for å forårsake det. Det som skjer kalles aktiv transport, en prosess der en levende membran bruker energi til å flytte stoffer over det. Mange levende membraner flytter vann og andre stoffer ved aktiv transport. Nyrene bruker for eksempel ikke bare osmose og dialyse – de bruker også betydelig aktiv transport for å flytte stoffer inn i og ut av blod. Faktisk er det anslått at minst 25% av kroppens energi er brukt på aktiv transport av stoffer på mobilnivå. Studien av aktiv transport fører oss inn i mikrobiologi, biofysikk og biokjemi, og det er en fascinerende anvendelse av naturens lover til levende strukturer.