osmóza je směrovaný tok molekulárních částic přes semipermeabilní membránu. V biologii má zásadní význam pro regulaci vodní rovnováhy v buňkách.
Co je to osmóza?
Osmóza znamená v řečtině „penetrace“. Je popisován jako spontánní průchod rozpouštědel, jako je voda, skrze selektivně propustnou membránu. Membrána je propustná pouze pro rozpouštědlo, ale ne pro rozpuštěné látky. Selektivní difúze pouze jedné složky vede k rovnováze chemického potenciálu na obou stranách membrány.
Osmóza se často vyskytuje v přírodě. Zejména u biologických membrán je nutná selektivní výměna látek, aby mohly probíhat biologické transportní procesy. Aktivní, energeticky náročné transportní procesy však také zajišťují, že osmotický tlak, který se vyskytuje pasivně, nemá ničivý účinek na buňku.
Ačkoli u normálních difúzních procesů není možné obrácení, osmóza je reverzibilní proces.
Funkce a úkol
V osmóze molekuly roztoku nebo čistého rozpouštědla difundují selektivně přes membránu, dokud není chemický potenciál vyvážen na obou stranách této membrány. Například koncentrovaný roztok na druhé straně se ředí rozpouštědlem, dokud nahromaděný hydrostatický tlak nezabrání další difúzi.
Molekuly mohou migrovat přes membránu, bez ohledu na to, ze které strany pocházejí. Pravděpodobnost je však vždy větší, aby se šířily směrem největšího potenciálního rozdílu.
Když je chemický potenciál vyvážený, stejný počet částic migruje zleva doprava jako zprava doleva. Navenek se tedy nic nezmění. Avšak v důsledku žádoucího zředění koncentrovaného roztoku se na jedné straně nahromadilo větší množství kapaliny, což vytvořilo vysoký tlak (osmotický tlak). Pokud membrána již nemůže odolávat tlaku, může být buňka zničena.
Aktivní transportní procesy přes membránu zajišťují, že určité látky jsou odstraňovány pomocí energie. Živý příklad osmotického procesu je otok zralých třešní, když jsou smíchány s vodou. Voda proniká vnější kůží ovoce, zatímco cukr nemůže uniknout. Zřeďovací proces v plodu pokračuje, dokud se neroztrhne.
Kombinace osmotických a aktivních, energeticky náročných transportních procesů v těle zajišťuje, že biochemické procesy probíhají hladce v prostorech oddělených biomembrány. Mohou existovat buňky, které se oddělují od vnějšího prostředí, ale s ním se neustále mění.
Organely jsou také přítomny v buňce, kde mohou probíhat oddělené reakce. Aby se zabránilo zvýšení osmotického tlaku do takové míry, že se biomembrány roztrhnou, molekuly se vypouštějí prostřednictvím aktivních transportních procesů.
V savčích buňkách, když se zvyšuje osmotický tlak, se protein NFAT5 produkuje ve větší míře. Poskytuje řadu protiopatřovacích mechanismů na ochranu buňky před hypertonickým stresem (přetlak). Přitom vznikají transportní proteiny, které pomocí energie odvádějí určité látky z buňky. Mimo jiné se močové látky, jako je glukóza a přebytek elektrolytů, vylučují ledvinami, aby se reguloval osmotický tlak v těle.
Nemoci a nemoci
Osmóza také hraje důležitou roli při regulaci rovnováhy elektrolytů. Elektrolyty jsou rozpuštěné soli a sestávají z kladně nabitých kovových iontů, jako jsou sodné, draselné, hořečnaté nebo vápenaté ionty, a záporně nabitých aniontů, jako jsou chloridové, hydrogenuhličitanové nebo fosfátové anionty.
Jsou přítomny v různých koncentracích jak v buňce (intracelulární), vně buněk (intersticiální), tak v krevním řečišti (intravaskulární). Rozdíly v koncentraci generují elektrické napětí na buněčných membránách, a tak spouštějí velké množství procesů na buněčné úrovni. Pokud dojde k narušení rozdílů v koncentraci, smíchá se také celá rovnováha elektrolytů.
Ledviny regulují tuto rovnováhu elektrolytů různými mechanismy, jako jsou žízeňské mechanismy, hormonální procesy nebo peptidy, které působí na ledviny. Při silném průjmu, zvracení, ztrátě krve nebo selhání ledvin může být narušena rovnováha vody a elektrolytů. Každý elektrolyt může nastat v koncentracích, které jsou buď příliš vysoké nebo příliš nízké.
Poruchy ve vodě a rovnováha elektrolytů jsou někdy život ohrožující v závislosti na jejich závažnosti. Příklady takových stavů zahrnují dehydrataci, hyperhydrataci, hyper- a hypovolémii (objem krve se zvyšuje nebo snižuje), hypo- a hypernatriémii, hypo- a hyperkalémii nebo také hypo- a hyperkalcemii.
Každá z těchto podmínek vyžaduje intenzivní léčbu. Bilance vody a elektrolytů se obvykle rychle vyrovná. Pokud je však regulační mechanismus mezi aktivními transportními procesy a osmotickými procesy narušen renální nedostatečností nebo jiným onemocněním, může dojít k chronickým poruchám elektrolytů. Výsledkem je otok, kardiovaskulární onemocnění, otok mozku, stav zmatení nebo záchvaty.
Vztahy mezi rovnováhou vody a elektrolytů a biologickými procesy v těle jsou tak složité, že podobné příznaky jsou často pozorovány u všech forem poruch elektrolytů. Stanovení rovnováhy elektrolytů by mělo být součástí standardních vyšetření, pokud jsou tyto příznaky chronické.
