ο ώσμωση είναι μια κατευθυνόμενη ροή μοριακών σωματιδίων μέσω μιας ημιπερατής μεμβράνης. Στη βιολογία είναι κεντρικής σημασίας για τη ρύθμιση της ισορροπίας νερού στα κύτταρα.
Τι είναι η όσμωση;
Η όσμωση σημαίνει «διείσδυση» στα ελληνικά. Περιγράφεται ως η αυθόρμητη διέλευση διαλυτών όπως το νερό μέσω μιας επιλεκτικά διαπερατής μεμβράνης. Η μεμβράνη είναι διαπερατή μόνο στον διαλύτη, αλλά όχι στις διαλυμένες ουσίες. Η επιλεκτική διάχυση ενός μόνο συστατικού οδηγεί σε ισορροπία του χημικού δυναμικού και στις δύο πλευρές της μεμβράνης.
Η όσμωση βρίσκεται συχνά στη φύση. Ειδικότερα στις βιολογικές μεμβράνες, απαιτείται επιλεκτική ανταλλαγή ουσιών, ώστε να μπορούν να πραγματοποιηθούν διαδικασίες βιολογικής μεταφοράς. Ωστόσο, οι ενεργές, ενεργειακά καταναγκαστικές διαδικασίες μεταφοράς διασφαλίζουν επίσης ότι η παθητικά αυξανόμενη ωσμωτική πίεση δεν έχει καταστρεπτική επίδραση στο κύτταρο.
Αν και δεν είναι δυνατή αναστροφή με κανονικές διαδικασίες διάχυσης, η όσμωση είναι μια αναστρέψιμη διαδικασία.
Λειτουργία & εργασία
Στην όσμωση, μόρια διαλύματος ή καθαρού διαλύτη διαχέονται επιλεκτικά μέσω μιας μεμβράνης έως ότου το χημικό δυναμικό εξισορροπηθεί και στις δύο πλευρές αυτής της μεμβράνης. Για παράδειγμα, ένα συμπυκνωμένο διάλυμα από την άλλη πλευρά αραιώνεται από τον διαλύτη έως ότου η συσσωρευμένη υδροστατική πίεση αποτρέψει περαιτέρω διάχυση.
Τα μόρια μπορούν να μεταναστεύσουν μέσω της μεμβράνης, ανεξάρτητα από την πλευρά από την οποία προέρχονται. Ωστόσο, είναι πάντα πιο πιθανό να διαχέονται προς την κατεύθυνση της μεγαλύτερης πιθανής διαφοράς.
Όταν το χημικό δυναμικό είναι ισορροπημένο, ο ίδιος αριθμός σωματιδίων μεταναστεύουν από αριστερά προς δεξιά με από δεξιά προς αριστερά. Έτσι εξωτερικά τίποτα δεν αλλάζει πια. Ωστόσο, ως αποτέλεσμα της επιθυμητής αραίωσης του συμπυκνωμένου διαλύματος, από τη μία πλευρά έχει συσσωρευτεί υψηλότερη ποσότητα υγρού, η οποία έχει δημιουργήσει υψηλή πίεση (την οσμωτική πίεση). Εάν η μεμβράνη δεν αντέχει πλέον στην πίεση, το στοιχείο μπορεί να καταστραφεί.
Οι ενεργές διαδικασίες μεταφοράς μέσω της μεμβράνης διασφαλίζουν ότι ορισμένες ουσίες απομακρύνονται με τη χρήση ενέργειας. Ένα ζωντανό παράδειγμα μιας οσμωτικής διαδικασίας είναι το πρήξιμο των ώριμων κερασιών όταν αναμιγνύονται με νερό. Το νερό διεισδύει στο εξωτερικό δέρμα του καρπού, ενώ η ζάχαρη δεν μπορεί να διαφύγει. Η διαδικασία αραίωσης εντός του καρπού συνεχίζεται έως ότου εκραγεί.
Μέσα στο σώμα, ο συνδυασμός οσμωτικών και ενεργών, ενεργειακών καταναλώσεων διαδικασιών μεταφοράς διασφαλίζει ότι οι βιοχημικές διεργασίες λειτουργούν ομαλά σε χώρους που διαχωρίζονται από βιομεμβράνες. Τα κύτταρα μπορούν να υπάρχουν που διαχωρίζονται από το εξωτερικό περιβάλλον, αλλά βρίσκονται σε συνεχή ανταλλαγή ουσιών με αυτό.
Τα οργανίδια υπάρχουν επίσης εντός του κυττάρου όπου μπορούν να πραγματοποιηθούν ξεχωριστές αντιδράσεις. Για να αποφευχθεί η αύξηση της οσμωτικής πίεσης σε τέτοιο βαθμό ώστε η βιομεμβράνη να σπάσει, τα μόρια αποβάλλονται μέσω ενεργών διαδικασιών μεταφοράς.
Σε κύτταρα θηλαστικών, όταν αυξάνεται η οσμωτική πίεση, η πρωτεΐνη NFAT5 παράγεται σε μεγαλύτερο βαθμό. Παρέχει έναν αριθμό μετρητών για την προστασία του κυττάρου από υπερτονικό στρες (υπερβολική πίεση). Στη διαδικασία, παράγονται πρωτεΐνες μεταφοράς οι οποίες, χρησιμοποιώντας ενέργεια, διοχετεύουν ορισμένες ουσίες έξω από το κύτταρο. Μεταξύ άλλων, ουροποιητικές ουσίες όπως γλυκόζη και περίσσεια ηλεκτρολυτών απεκκρίνονται μέσω των νεφρών προκειμένου να ρυθμιστεί η οσμωτική πίεση στο σώμα.
Ασθένειες και παθήσεις
Η όσμωση παίζει επίσης σημαντικό ρόλο στη ρύθμιση της ισορροπίας των ηλεκτρολυτών. Οι ηλεκτρολύτες είναι διαλυμένα άλατα και αποτελούνται από θετικά φορτισμένα μεταλλικά ιόντα όπως ιόντα νατρίου, καλίου, μαγνησίου ή ασβεστίου και αρνητικά φορτισμένα ανιόντα όπως χλωριούχα, διττανθρακικά ή φωσφορικά ανιόντα.
Υπάρχουν σε διαφορετικές συγκεντρώσεις στο κύτταρο (ενδοκυτταρικό), έξω από τα κύτταρα (διάμεση) ή εντός της κυκλοφορίας του αίματος (ενδοαγγειακή). Οι διαφορές στη συγκέντρωση δημιουργούν την ηλεκτρική τάση στις κυτταρικές μεμβράνες και έτσι ενεργοποιούν ένα πλήθος διεργασιών σε επίπεδο κυψέλης. Εάν διαταραχθούν οι διαφορές συγκέντρωσης, αναμιγνύεται επίσης ολόκληρη η ισορροπία ηλεκτρολυτών.
Τα νεφρά ρυθμίζουν αυτήν την ισορροπία ηλεκτρολυτών μέσω διάφορων μηχανισμών όπως μηχανισμοί δίψας, ορμονικές διεργασίες ή πεπτίδια που επηρεάζουν τα νεφρά. Με σοβαρή διάρροια, έμετο, απώλεια αίματος ή νεφρική ανεπάρκεια, η ισορροπία νερού και ηλεκτρολυτών μπορεί να διαταραχθεί. Κάθε ηλεκτρολύτης μπορεί να εμφανιστεί σε συγκεντρώσεις που είναι είτε πολύ υψηλές είτε πολύ χαμηλές.
Οι διαταραχές στο ισοζύγιο νερού και ηλεκτρολυτών είναι μερικές φορές απειλητικές για τη ζωή, ανάλογα με τη σοβαρότητά τους. Παραδείγματα τέτοιων καταστάσεων περιλαμβάνουν αφυδάτωση, υπερ-ενυδάτωση, υπερ- και υποοναιμία (ο όγκος του αίματος αυξάνεται ή μειώνεται), υπο- και υπερνατριαιμία, υπο- και υπερκαλιαιμία ή αλλιώς υπο- και υπερασβεστιαιμία.
Κάθε μία από αυτές τις καταστάσεις απαιτεί εντατική θεραπεία. Κατά κανόνα, η ισορροπία νερού και ηλεκτρολυτών ισορροπεί γρήγορα. Ωστόσο, εάν ο ρυθμιστικός μηχανισμός μεταξύ ενεργών διαδικασιών μεταφοράς και οσμωτικών διεργασιών διαταράσσεται από νεφρική ανεπάρκεια ή άλλη ασθένεια, μπορεί να εμφανιστούν χρόνιες ανισορροπίες ηλεκτρολυτών. Ως αποτέλεσμα, εμφανίζονται οίδημα, καρδιαγγειακές παθήσεις, εγκεφαλικό οίδημα, καταστάσεις σύγχυσης ή επιληπτικές κρίσεις.
Οι σχέσεις μεταξύ της ισορροπίας νερού και ηλεκτρολυτών και των βιολογικών διεργασιών στο σώμα είναι τόσο περίπλοκες που παρόμοια συμπτώματα παρατηρούνται συχνά για όλες τις μορφές διαταραχών ηλεκτρολυτών. Ο προσδιορισμός της ισορροπίας ηλεκτρολυτών θα πρέπει να είναι μία από τις τυπικές εξετάσεις εάν αυτά τα συμπτώματα είναι χρόνια.
