osmos och dialys—Diffusion över membran
några av de mest intressanta exemplen på diffusion sker genom barriärer som påverkar diffusionshastigheterna. Till exempel, när du suger en svullen fotled i Epsom-salt, diffunderar vatten genom huden. Många ämnen rör sig regelbundet genom cellmembran; syre rör sig in, koldioxid rör sig ut, näringsämnen går in och avfall går ut, till exempel. Eftersom membran är tunna strukturer (typiskt 6.5 10-9 till 10 10 10-9 m across) diffusionshastigheter genom dem kan vara höga. Diffusion genom membran är en viktig transportmetod. Membran är i allmänhet selektivt permeabla eller semipermeabla. (Se Figur 3.) En typ av semipermeabelt membran har små porer som tillåter endast små molekyler att passera igenom. I andra typer av membran kan molekylerna faktiskt lösas upp i membranet eller reagera med molekyler i membranet medan de rör sig över. Membranfunktionen är faktiskt föremål för mycket aktuell forskning, som inte bara involverar fysiologi utan också Kemi och fysik.
Figur 3. (A) ett semipermeabelt membran med små porer som tillåter endast små molekyler att passera genom. (b) vissa molekyler upplöses i detta membran och diffunderar över det.
osmos är transport av vatten genom ett semipermeabelt membran från en region med hög koncentration till en region med låg koncentration. Osmos drivs av obalansen i vattenkoncentrationen. Till exempel är vatten mer koncentrerat i kroppen än i Epsom-salt. När du suger en svullen fotled i Epsom-salt, rör sig vattnet ut ur kroppen till det lägre koncentrationsområdet i saltet. På liknande sätt är dialys transporten av någon annan molekyl genom ett semipermeabelt membran på grund av dess koncentrationsskillnad. Både osmos och dialys används av njurarna för att rensa blodet. Osmos kan skapa ett betydande tryck.
Tänk på vad som händer om osmos fortsätter under en tid, som illustreras i Figur 4. Vatten rör sig genom osmos från vänster till regionen till höger, där det är mindre koncentrerat, vilket gör att lösningen till höger stiger. Denna rörelse fortsätter tills trycket pgh som skapas av den extra höjden av vätska till höger är tillräckligt stor för att stoppa ytterligare osmos. Detta tryck kallas ett mottryck. Mottrycket pgh som stoppar osmos kallas också det relativa osmotiska trycket om ingen av lösningarna är rent vatten, och det kallas det osmotiska trycket om en lösning är rent vatten. Osmotiskt tryck kan vara stort beroende på koncentrationsskillnadens storlek. Till exempel, om rent vatten och havsvatten separeras av ett semipermeabelt membran som inte passerar något salt, kommer osmotiskt tryck att vara 25,9 atm. Detta värde innebär att vatten kommer att diffundera genom membranet tills saltvattenytan stiger 268 m över renvattenytan! Ett exempel på tryck som skapas av osmos är turgor i växter (många vissnar när de är för torra). Turgor beskriver tillståndet hos en växt där vätskan i en cell utövar ett tryck mot cellväggen. Detta tryck ger anläggningen stöd. Dialys kan på liknande sätt orsaka betydande tryck.
Figur 4. a) två sockervattenlösningar med olika koncentrationer, åtskilda av ett semipermeabelt membran som passerar vatten men inte socker. Osmos kommer att vara till höger, eftersom vatten är mindre koncentrerat där. (b) vätskenivån stiger tills mottrycket pgh är lika med det relativa osmotiska trycket; då är nettoöverföringen av vatten noll.
omvänd osmos och omvänd dialys (även kallad filtrering) är processer som uppstår när mottrycket är tillräckligt för att vända den normala riktningen av ämnen genom membran. Mottryck kan skapas naturligt som på höger sida av Figur 4. (En kolv kan också skapa detta tryck.) Omvänd osmos kan användas för att avsalta vatten genom att helt enkelt tvinga det genom ett membran som inte passerar salt. På liknande sätt kan omvänd dialys användas för att filtrera bort alla ämnen som ett givet membran inte kommer att passera.
ytterligare ett exempel på förflyttning av ämnen genom membran förtjänar att nämnas. Vi finner ibland att ämnen passerar i motsatt riktning mot vad vi förväntar oss. Cypressträdrötter extraherar till exempel rent vatten från saltvatten, även om osmos skulle flytta den i motsatt riktning. Detta är inte omvänd osmos, eftersom det inte finns något mottryck för att orsaka det. Det som händer kallas aktiv transport, en process där ett levande membran förbrukar energi för att flytta ämnen över det. Många levande membran flyttar vatten och andra ämnen genom aktiv transport. Njurarna använder till exempel inte bara osmos och dialys—de använder också betydande aktiv transport för att flytta ämnen in i och ut ur blod. Faktum är att det uppskattas att minst 25% av kroppens energi används på aktiv transport av ämnen på cellulär nivå. Studien av aktiv transport bär oss in i mikrobiologi, biofysik och biokemi och det är en fascinerande tillämpning av naturlagarna på levande strukturer.