osmose en dialyse-diffusie over membranen
enkele van de interessantste voorbeelden van diffusie komen voor via barrières die de diffusiesnelheid beïnvloeden. Bijvoorbeeld, wanneer u een gezwollen enkel In Epsom zout weken, water verspreidt door je huid. Veel stoffen bewegen zich regelmatig door celmembranen; zuurstof komt binnen, kooldioxide komt naar buiten, voedingsstoffen gaan naar binnen en afval gaat bijvoorbeeld naar buiten. Omdat membranen dunne structuren zijn (meestal 6.5 × 10-9 tot 10 × 10-9 m doorsnede) diffusiesnelheden door hen kan hoog zijn. Diffusie door membranen is een belangrijke transportmethode. Membranen zijn over het algemeen selectief doorlaatbaar, of semipermeable. (Zie Figuur 3.) Één type van semipermeable membraan heeft kleine poriën die slechts kleine molecules toestaan om door te gaan. In andere types van membranen, kunnen de molecules eigenlijk in het membraan oplossen of met molecules in het membraan reageren terwijl het bewegen over. Membraanfunctie is in feite het onderwerp van veel lopend onderzoek, waarbij niet alleen fysiologie, maar ook chemie en fysica betrokken zijn.
Figuur 3. (a) een semipermeable membraan met kleine poriën die slechts kleine molecules toestaan om door te gaan. (B) bepaalde moleculen lossen in dit membraan op en verspreiden zich er doorheen.
osmose is het transport van water door een semipermeabel membraan van een gebied met een hoge concentratie naar een gebied met een lage concentratie. Osmose wordt gedreven door de onbalans in de waterconcentratie. Water is bijvoorbeeld meer geconcentreerd in je lichaam dan in epsomzout. Wanneer u een gezwollen enkel In Epsom zout weken, het water beweegt uit je lichaam in de lagere concentratie regio in het zout. Evenzo, is de dialyse het vervoer van om het even welke andere molecule door een semipermeable membraan toe te schrijven aan zijn concentratieverschil. Zowel osmose als dialyse worden gebruikt door de nieren om het bloed te reinigen. Osmose kan een aanzienlijke druk veroorzaken.
overweeg wat er gebeurt als de osmose nog enige tijd aanhoudt, zoals geïllustreerd in Figuur 4. Water beweegt door osmose van links naar het gebied aan de rechterkant, waar het minder geconcentreerd is, waardoor de oplossing aan de rechterkant stijgt. Deze beweging zal doorgaan totdat de druk PGH gecreëerd door de extra hoogte van vloeistof aan de rechterkant groot genoeg is om verdere osmose te stoppen. Deze druk wordt een tegendruk genoemd. De tegendruk PGH die osmose stopt wordt ook wel de relatieve osmotische druk genoemd als geen van beide oplossingen zuiver water is, en het wordt de osmotische druk genoemd als één oplossing zuiver water is. Osmotische druk kan groot zijn, afhankelijk van de grootte van het concentratieverschil. Als bijvoorbeeld zuiver water en zeewater worden gescheiden door een semipermeabel membraan dat geen zout passeert, zal de osmotische druk 25,9 atm zijn. Deze waarde betekent dat het water door het membraan zal diffunderen tot het zoutwateroppervlak 268 m boven het zuiverwateroppervlak uitstijgt! Een voorbeeld van druk veroorzaakt door osmose is turgor in planten (veel verwelkt wanneer te droog). Turgor beschrijft de toestand van een plant waarin de vloeistof in een cel een druk uitoefent tegen de celwand. Deze druk geeft de plant ondersteuning. Dialyse kan ook aanzienlijke druk veroorzaken.
Figuur 4. a) twee suiker-wateroplossingen van verschillende concentraties, gescheiden door een semipermeabel membraan dat water passeert, maar geen suiker. Osmose zal naar rechts zijn, omdat het water daar minder geconcentreerd is. (b) het vloeistofniveau stijgt tot de tegendruk PGH gelijk is aan de relatieve osmotische druk; dan is de netto-overdracht van water nul.
omgekeerde osmose en omgekeerde dialyse (ook wel filtratie genoemd) zijn processen die optreden wanneer tegendruk voldoende is om de normale richting van stoffen door membranen om te keren. Tegendruk kan op natuurlijke wijze worden gecreëerd zoals aan de rechterkant van Figuur 4. (Een zuiger kan ook deze druk creëren.) Omgekeerde osmose kan worden gebruikt om water te ontzilten door het simpelweg te forceren door een membraan dat geen zout zal passeren. Op dezelfde manier kan omgekeerde dialyse worden gebruikt om een stof uit te filteren die een bepaald membraan niet zal passeren.
een ander voorbeeld van de verplaatsing van stoffen door membranen verdient vermelding. Soms zien we dat stoffen in de tegenovergestelde richting gaan dan we verwachten. De wortels van cipressen, bijvoorbeeld, halen zuiver water uit zout water, hoewel osmose het in de tegenovergestelde richting zou bewegen. Dit is geen omgekeerde osmose, omdat er geen tegendruk is om het te veroorzaken. Wat er gebeurt heet actief transport, een proces waarbij een levend membraan energie verbruikt om stoffen er doorheen te verplaatsen. Veel levende membranen verplaatsen water en andere stoffen door actief transport. De nieren gebruiken bijvoorbeeld niet alleen osmose en dialyse—ze gebruiken ook significant actief transport om stoffen in en uit het bloed te verplaatsen. In feite wordt geschat dat ten minste 25% van de energie van het lichaam wordt besteed aan actief transport van stoffen op cellulair niveau. De studie van actief transport voert ons naar de gebieden van microbiologie, biofysica en biochemie en het is een fascinerende toepassing van de wetten van de natuur op levende structuren.