Prevenirea deshidratării este importantă atât pentru plante, cât și pentru animale. Apa se deplasează prin membranele celulare printr-un tip specific de difuzie numit osmoză. Gradientul de concentrație al apei de-a lungul unei membrane este invers proporțional cu concentrația de substanțe dizolvate, adică apa se deplasează prin proteinele-canal numite acvaporine de la o concentrație mai mare de apă la o concentrație mai mică de apă.
Concentrația de solut (substanță dizolvată într-un lichid) din exteriorul și interiorul celulei influențează viteza de osmoză. Tonicitatea descrie modul în care concentrația extracelulară de substanțe dizolvate poate modifica volumul unei celule prin afectarea osmozei, corelându-se adesea cu osmolaritatea soluției (concentrația totală de solut a soluției).
Într-o situație hipotonică, deoarece lichidul extracelular are o concentrație mai mică de substanțe dizolvate (osmolaritate mai scăzută) decât fluidul din interiorul celulei, apa pătrunde în celulă, determinând umflarea acesteia și posibilitatea spargerii celulei. Pereții celulari ai plantelor le împiedică să se spargă, dar celulele animale, cum ar fi celulele roșii din sânge, pot suferi liză.
Atunci când o celulă este plasată într-o soluție hipertonică, apa părăsește celula, deoarece aceasta are un potențial de apă mai mare decât soluția extracelulară.
Când concentrațiile de substanță dizolvată sunt egale pe ambele părți ale membranei (soluție izotonă), nu are loc o mișcare netă a apei în interiorul sau în afara celulei. Organismele vii și-au dezvoltat o varietate de moduri de a menține echilibrul osmotic; de exemplu, peștii marini secretă excesul de sare prin branhii pentru a menține homeostazia dinamică.
Membranele celulare trebuie să permită anumitor substanțe să pătrundă și să iasă dintr-o celulă și să împiedice intrarea unor materiale dăunătoare și ieșirea unor materiale esențiale. Cu alte cuvinte, membranele plasmatice au permeabilitate selectivă (sunt semipermeabile) – permit trecerea unor substanțe, dar nu și altora. Dacă ar pierde această selectivitate, celula nu ar mai fi capabilă să se susțină singură și ar fi distrusă.
Unele celule necesită cantități mai mari de substanțe specifice decât alte celule, motiv pentru care ele trebuie să aibă o modalitate de a obţine aceste materiale din fluidele extracelulare. Acest lucru se poate întâmpla pasiv, pe măsură ce anumite materiale se mișcă înainte și înapoi, sau celula poate avea mecanisme speciale care facilitează transportul. Unele materiale sunt atât de importante pentru o celulă încât aceasta își cheltuiește o parte din energie, hidrolizând adenozintrifosfatul (ATP) pentru a obține aceste materiale. Celulele roșii din sânge își folosesc o parte din energia pentru acest lucru. Majoritatea celulelor își cheltuiesc cea mai mare parte a energiei pentru a menține un dezechilibru al ionilor de sodiu și potasiu între interiorul și exteriorul celulei.
Cele mai directe forme de transport membranar sunt pasive. Transportul pasiv este un proces natural și nu necesită ca celula să-și folosească energia pentru a realiza mișcarea substanțelor. În transportul pasiv, substanțele se deplasează dintr-o zonă de concentrație mai mare într-o zonă de concentrație mai mică. Se spune că un spațiu fizic în care există o gamă de concentrații ale unei singure substanțe are un gradient de concentrație.
Permeabilitatea selectivă
Membranele celulare (membranele plasmatice) sunt asimetrice, adică interiorul membranei nu este identic cu exteriorul membranei. De fapt, există o diferență considerabilă între gama de fosfolipide și proteine de pe cele două fețe ale membranei.
Pe partea interioară a membranei, unele proteine servesc la ancorarea membranei la fibrele citoscheletului. Există proteine periferice la exteriorul membranei care leagă elemente ale matricei extracelulare. Carbohidrații, atașați de lipide sau proteine, se găsesc și pe suprafața exterioară a membranei plasmatice. Aceste complexe de carbohidrați ajută celulele să lege substanțele de care ele au nevoie din lichidul extracelular. Acest lucru se adaugă considerabil la natura selectivă a membranelor plasmatice (Figura 1).
Figura 1 – Suprafața exterioară a unei membrane celulare nu este identică cu suprafața interioară a aceleași membrane.
Membranele plasmatice sunt amfifile, adică au regiuni hidrofile și hidrofobe. Această caracteristică ajută la mișcarea unor materiale prin membrană și împiedică mișcarea altora. Materialul solubil în lipide cu o greutate moleculară mică poate aluneca cu ușurință prin miezul lipidic hidrofob al membranei. Substanțe precum vitaminele solubile în grăsimi (vitaminele A, D, E și K) trec ușor prin membranele plasmatice din tractul digestiv și din alte țesuturi. Medicamentele și hormonii solubili în grăsimi pătrund, de asemenea, ușor în celule și sunt ușor transportate în țesuturile și organele corpului. În mod similar, moleculele de oxigen și dioxid de carbon nu au nicio sarcină electrică și astfel trec prin membrane prin difuzie simplă.
Substanțele polare pun probleme pentru membrană. În timp ce unele molecule polare se conectează ușor cu exteriorul unei celule, ele nu pot trece cu ușurință prin miezul lipidic al membranei celulare. În plus, în timp ce ionii mici ar putea trece cu ușurință prin spațiile din structura membranei, încărcarea lor electrică îi împiedică să facă acest lucru. Ioni precum sodiu, potasiu, calciu și clorură trebuie să aibă mijloace speciale de transport prin membranele plasmatice. Zaharurile și aminoacizii simpli au, de asemenea, nevoie de ajutor pentru transportul prin membranele plasmatice, obținut prin diferite proteine transmembranare (canale).
Difuzia
Difuzia este un tip de transport pasiv. O substanță tinde să se deplaseze dintr-o zonă cu concentrație mare într-o zonă cu concentrație scăzută, până când concentrația se egalizează în spațiul respectiv.
Un exemplu de difuzie este circulția substanțelor prin aer. De exemplu, să ne gândim la cineva care deschide o sticlă de amoniac într-o cameră plină de oameni. Amoniacul gazos are concentrația cea mai mare în sticlă, iar concentrația sa cea mai scăzută este la marginile camerei. Vaporii de amoniac vor difuza sau se vor împrăștia din sticlă și, treptat, din ce în ce mai mulți oameni vor mirosi amoniacul pe măsură ce se răspândește.
Materialele se deplasează în citosolul celulei prin difuzie, iar anumite materiale se deplasează prin membrana plasmatică prin difuzie (Figura 2). Difuzia nu consumă energie. Dimpotrivă, gradienții de concentrație sunt o formă de energie potențială, disipată pe măsură ce gradientul este eliminat.
Figura 2 – Difuzia printr-o membrană permeabilă deplasează o substanță dintr-o zonă de concentrație mare (lichidul extracelular, în acest caz) în sensul gradientului său de concentrație (în citoplasmă).
Fiecare substanță separată dintr-un mediu, cum ar fi lichidul extracelular, are propriul gradient de concentrație, independent de gradienții de concentrație ai altor substanțe. În plus, fiecare substanță va difuza în funcție de acel gradient. În cadrul unui sistem, vor exista viteze diferite de difuzie a diferitelor substanțe din mediu.
Factori care afectează difuzia
Moleculele se mișcă în mod constant într-o manieră aleatorie, cu o viteză care depinde de masa lor, de mediul în care se află și de cantitatea de energie termică pe care o posedă, care la rândul său este în funcție de temperatură. Această mișcare explică difuzia moleculelor prin orice mediu în care sunt localizate. O substanță va tinde să se miște în orice spațiu disponibil până când este distribuită uniform în ea.
După ce o substanță a difuzat complet într-un spațiu, înlăturându-și gradientul de concentrație, moleculele se vor deplasa în continuare în spațiul respectiv, dar nu va exista o mișcare netă a numărului de molecule dintr-o zonă în alta. Această lipsă a unui gradient de concentrație în care nu există o mișcare netă a unei substanțe este cunoscută sub numele de echilibru dinamic. În timp ce difuzia va continua în prezența unui gradient de concentrație al unei substanțe, mai mulți factori afectează viteza de difuzie.
- Amploarea gradientului de concentrație: cu cât diferența de concentrație este mai mare, cu atât difuzia este mai rapidă. Cu cât distribuția materialului se apropie de echilibru, cu atât viteza de difuzie devine mai lentă;
Masa moleculelor care se difuzează: moleculele mai grele se mișcă mai încet; prin urmare, ele difuzează mai încet. Reversul este valabil pentru moleculele mai ușoare;
Temperatura: temperaturile mai ridicate cresc energia și deci mișcarea moleculelor, mărind astfel viteza de difuzie. Temperaturile mai scăzute scad energia moleculelor, reducând astfel viteza de difuzie;
Densitatea solventului: pe măsură ce densitatea unui solvent crește, viteza de difuzie scade. Moleculele încetinesc pentru că trec mai greu prin mediul mai dens. Dacă mediul este mai puțin dens, difuzia crește. Deoarece celulele folosesc în principal difuzia pentru a deplasa materialele în citoplasmă, orice creștere a densității citoplasmei va inhiba mișcarea materialelor. Un exemplu în acest sens este o persoană care suferă de deshidratare. Pe măsură ce celulele corpului pierd apă, rata de difuzie scade în citoplasmă, iar funcțiile celulelor se deteriorează. Neuronii tind să fie foarte sensibili la acest efect. Deshidratarea duce frecvent la pierderea cunoștinței și posibil chiar la comă din cauza scăderii ratei de difuzie în interiorul celulelor;
Solubilitate: materialele nepolare sau solubile în lipide trec prin membranele plasmatice mai ușor decât materialele polare, permițând o rată de difuzie mai rapidă;
Suprafața și grosimea membranei plasmatice: suprafața crescută crește viteza de difuzie, în timp ce o membrană mai groasă o reduce;
Distanța parcursă: cu cât distanța pe care trebuie să o parcurgă o substanță este mai mare, cu atât viteza de difuzie este mai lentă. Acest lucru impune o limitare superioară a dimensiunii celulei. O celulă mare, sferică, va muri deoarece nutrienții sau deșeurile nu pot ajunge la sau, respectiv, părăsi centrul celulei. Prin urmare, celulele trebuie fie să fie de dimensiuni mici, ca în cazul multor procariote, fie să fie aplatizate, ca în cazul multor eucariote unicelulare.
O variație a difuziei este procesul de filtrare. În filtrare, materialul se mișcă în funcție de gradientul său de concentrație printr-o membrană; uneori viteza de difuzie este sporită de presiune, determinând ca substanțele să se filtreze mai rapid. Acest lucru se întâmplă în rinichi, unde tensiunea arterială forțează cantități mari de apă și substanțele dizolvate (solutul) să iasă din sânge și să intre în tubii renali. Viteza de difuzie în acest caz este aproape total dependentă de presiune. Unul dintre efectele hipertensiunii arteriale este apariția proteinelor în urină din cauza presiunii anormal de ridicate.
Transportul facilitat
În transportul facilitat, numit și difuzie facilitată, materialele difuzează prin membrana celulară cu ajutorul proteinelor membranare. Există un gradient de concentrație care ar permite acestor materiale să difuzeze în celulă fără a consuma energia celulară. Cu toate acestea, aceste materiale sunt molecule polare care sunt respinse de părțile hidrofobe ale membranei celulare. Proteinele de transport protejează aceste materiale de forța de respingere a membranei, permițându-le să difuzeze în celulă.
Materialul transportat este mai întâi atașat de receptorii proteici sau glicoproteici de pe suprafața exterioară a membranei plasmatice. Acest lucru permite ca materialul de care are nevoie celula să fie îndepărtat din lichidul extracelular. Substanțele sunt apoi transferate la proteine integrate specifice care facilitează trecerea lor. Unele dintre aceste proteine integrate formează un por sau un canal prin stratul dublu fosfolipidic. Alte proteine sunt proteine transportoare, care se leagă de substanță și ajută la difuzarea acesteia prin membrană.
Canale
Proteinele integrate implicate în transportul facilitat sunt denumite în mod colectiv proteine de transport și funcționează fie drept canale pentru substanțe, fie ca transportatori (purtători). În ambele cazuri, acestea sunt proteine transmembranare. Canalele sunt specifice substanței care este transportată.
Proteinele-canal au domenii hidrofile expuse fluidelor intracelulare și extracelulare, precum și un canal hidrofil prin miezul lor, care asigură o deschidere hidrofilă prin straturile membranare (Figura 3). Trecerea prin canal permite compușilor polari să evite stratul central nepolar al membranei plasmatice, care altfel ar încetini sau ar împiedica intrarea lor în celulă. Acvaporinele sunt proteine-canal care permit apei să treacă prin membrană cu o viteză foarte mare.
Figura 3 – Transportul facilitat deplasează substanțele în sensul gradientului lor de concentrație. Ele pot traversa membrana celulară cu ajutorul proteinelor-canal.
Proteinele-canal fie sunt deschise în orice moment, fie sunt „încuiate”, ceea ce controlează deschiderea canalului. Atașarea unui anumit ion la proteina-canal poate controla deschiderea acesteia, dar pot fi implicate alte mecanisme sau substanțe.
În unele țesuturi, ionii de sodiu și clorură trec liber prin canale deschise, în timp ce în alte țesuturi trebuie deschisă o poartă pentru a permite trecerea lor. Un exemplu în acest sens se întâlnește la nivelul rinichiului, unde ambele forme de canale se găsesc în diferite părți ale tubilor renali.
Celulele implicate în transmiterea impulsurilor electrice, cum ar fi celulele nervoase și musculare, au canale „încuiate” pentru sodiu, potasiu și calciu în membranele lor. Deschiderea și închiderea acestor canale produce modificări ale concentrațiilor relative ale acestor ioni pe părțile opuse ale membranei, ducând la facilitarea transmisiei impulsurilor electrice de-a lungul membranelor (în cazul celulelor nervoase) sau în contracția musculară (în cazul celulelor musculare).
Proteine transportoare
Un alt tip de proteine încorporate în membrana plasmatică sunt proteinele transportoare. O astfel de proteină leagă o substanță și, făcând acest lucru, declanșează o schimbare a propriei forme, deplasând molecula legată din exteriorul celulei în interiorul acesteia (Figura 4); în funcție de gradient, materialul se poate mișca în direcția opusă.
Proteinele transportoare sunt, de obicei specifice, pentru o singură substanță. Această selectivitate se adaugă la selectivitatea globală a membranei plasmatice. Mecanismul exact pentru schimbarea formei nu este bine înțeles. Proteinele își pot schimba forma atunci când legăturile lor de hidrogen sunt afectate, dar acest lucru poate să nu explice pe deplin acest mecanism.
Fiecare proteină transportoare este specifică unei substanțe și există un număr finit de astfel de proteine în orice membrană. Acest lucru poate cauza probleme în transportul suficient de materiale pentru funcționarea corectă a celulei. Când toate proteinele sunt legate de liganzii lor, ele sunt saturate și viteza de transport este la maxim. Creșterea gradientului de concentrație în acest punct nu va duce la o viteză crescută de transport.
Figura 4 – Unele substanțe sunt capabile să se deplaseze prin membrana celulară în sensul gradientului lor de concentrație cu ajutorul proteinelor transportoare. Aceste proteine își schimbă forma pe măsură ce transferă moleculele prin membrană.
Un exemplu al unui astfel de proces se întâlnește în rinichi. Glucoza, apa, sărurile, ionii și aminoacizii necesari organismului sunt filtrate într-o parte a rinichiului. Acest filtrat, care include glucoză, este apoi reabsorbit într-o altă parte a rinichiului. Deoarece există doar un număr finit de proteine transportoare pentru glucoză, dacă este prezentă mai multă glucoză decât pot transporta proteinele, excesul nu este transportat și este excretat din organism prin urină.
Un grup diferit de proteine transportoare, numite proteine de transport al glucozei, sunt implicate în transportul glucozei și al altor hexoze prin membranele plasmatice din corp.
Proteinele-canal și proteinele transportoare transportă substanțele cu viteze diferite. Proteinele-canal transportă substanțele mult mai repede decât proteinele transportoare. Proteinele-canal facilitează difuzia cu o viteză de zeci de milioane de molecule pe secundă, în timp ce proteinele transportoare lucrează cu o viteză de la o mie până la un milion de molecule pe secundă.
Osmoza
Osmoza este mișcarea moleculelor de apă liberă printr-o membrană semipermeabilă în funcție de gradientul de concentrație al apei de-a lungul membranei, care este invers proporțional cu concentrația de substanțe dizolvate. În timp ce difuzia transportă substanțele prin membrane și în interiorul celulelor, osmoza transportă doar apă printr-o membrană, iar membrana limitează difuzia substanțelor dizolvate în apă. Nu este surprinzător că acvaporinele, care facilitează mișcarea apei, joacă un rol important în osmoză, cel mai proeminent fiind la nivelul celulelor roșii din sânge și al membranele tubilor renali.
Mecanismul osmozei
Osmoza este un tip special de difuzie. Apa, ca și alte substanțe, se deplasează dintr-o zonă cu concentrație mare de molecule de apă liberă într-una cu concentrație scăzută de molecule de apă liberă. O întrebare evidentă este ce anume face ca apa să se miște?
Imaginați-vă un pahar cu o membrană semipermeabilă care separă cele două laturi sau jumătăți (Figura 5). Pe ambele părți ale membranei, nivelul apei este același, dar există concentrații diferite ale unei substanțe dizolvate (sau solut), care nu poate traversa membrana (altfel concentrațiile de pe fiecare parte ar fi echilibrate de substanța dizolvată care traversează membrana). Dacă volumul soluției de pe ambele părți ale membranei este același, dar concentrațiile de substanță dizolvată sunt diferite, atunci există cantități diferite de apă (care joacă rolul de solvent) pe cele două părți ale membranei.
Figura 5 – În osmoză, apa se deplasează întotdeauna dintr-o zonă cu concentrație mai mare de apă într-una cu concentrație mai mică. În diagrama prezentată, solutul nu poate trece prin membrana permeabilă selectiv, dar apa poate.
Pentru a ilustra acest lucru, imaginați-vă două pahare pline cu apă. Unul are o singură linguriță de zahăr în ea, în timp ce al doilea conține un sfert de cană de zahăr. Dacă volumul total al soluțiilor din ambele căni este același, care cană conține mai multă apă? Deoarece cantitatea mare de zahăr din a doua ceașcă ocupă mult mai mult spațiu decât lingurița de zahăr din prima ceașcă, prima ceașcă are mai multă apă în ea.
Revenind la exemplul cu paharul, să ne amintim că acesta conține un amestec de substanțe dizolvate de ambele părți ale membranei. Un principiu al difuziei este că moleculele se deplasează și se vor răspândi uniform în mediu, dacă pot face acest lucru. Cu toate acestea, numai substanța capabilă să treacă prin membrană va difuza prin ea. În acest exemplu, solutul nu poate difuza prin membrană, dar apa poate. Apa are un gradient de concentrație în acest sistem. Astfel, apa va difuza în sensul gradientului său de concentrație, traversând membrana spre partea în care este mai puțin concentrată. Această difuzie a apei prin membrană – osmoza – va continua până când gradientul de concentrație al apei ajunge la zero sau până când presiunea hidrostatică a apei echilibrează presiunea osmotică. Osmoza se întâlnește în mod constant în sistemele vii.
Exemplul cu paharul de laborator are loc într-un sistem deschis în care volumul de lichid poate crește și scădea liber. Celulele, pe de altă parte, sunt compuse din proteine și alte substanțe încorporate în citoplasma apoasă. Aceste substanțe ar putea fi considerate substanțe dizolvate (solut). Membrana celulară păstrează majoritatea proteinelor și a altor substanțe în interiorul celulei, determinând celula să aibă o osmolaritate mai mare decât apa pură.
Să presupunem că efectuăm un experiment în care plasăm globule roșii într-un mediu cu apă pură. Ce credeți că s-ar putea întâmpla cu aceste celule? Deoarece concentrația de substanță dizolvată este mai mare în globulele roșii decât în pahar, apa ar pătrunde în globulele roșii. Ce credeți că s-ar întâmpla cu globulele roșii, având în vedere că membrana lor celulară are o suprafață fixă? Este probabil ca globulele roșii să sufere hemoliză, adică să se umflă cu apă și să se spargă. Trebuie remarcat însă că majoritatea celulelor au mecanisme care le împiedică să primească prea multă apă. Cu toate acestea, celulele roșii din sânge nu au aceste mecanisme, ceea ce le face ideale pentru studiile de osmolaritate.
Acesta este un aspect important pentru medicii care administrează medicamente intravenoase. Cum ar trebui administrat medicamentul, din punct de vedere al osmolarității, pentru a preveni hemoliza? Pentru a preveni hemoliza globulelor roșii din sânge, medicamentele sunt, de obicei, administrate într-o soluție izotonă cu sângele pentru a menține osmolaritatea.
Tonicitatea
Tonicitatea descrie modul în care o soluție extracelulară poate modifica volumul unei celule prin afectarea osmozei. Tonicitatea unei soluții se corelează adesea direct cu osmolaritatea soluției.
Osmolaritatea descrie concentrația totală de substanță dizolvată (solut) din soluție. O soluție cu osmolaritate scăzută are un număr mai mare de molecule de apă în raport cu numărul de particule de solut; o soluție cu osmolaritate mare are mai puține molecule de apă în raport cu particulele de solut. Într-o situație în care soluțiile cu două osmolarități diferite sunt separate de o membrană permeabilă la apă, dar nuși la solut, apa se va deplasa de pe partea cu osmolaritate mai mică (și mai multă apă) a membranei pe partea cu osmolaritate mai mare (și mai puțină apă). Acest efect are sens dacă ne amintim că substanța dizolvată nu se poate deplasa prin membrană și, astfel, singura componentă din sistem care se poate deplasa – apa – se mișcă de-a lungul propriului gradient de concentrație.
O distincție importantă care privește sistemele vii este aceea că osmolaritatea măsoară numărul de particule (care pot fi molecule) dintr-o soluție. Prin urmare, o soluție care conține multe celule (are un aspect tulbure) poate avea o osmolaritate mai mică decât o soluție care este limpede, dacă a doua soluție conține mai multe molecule dizolvate decât celule.
Soluții hipotonice
Trei termeni – hipotonic, izotonic și hipertonic – sunt folosiți pentru a lega osmolaritatea unei celule de osmolaritatea fluidului extracelular care conține celulele.
Într-o soluție hipotonică, lichidul extracelular are osmolaritate mai mică decât fluidul din interiorul celulei, iar apa pătrunde în celulă. (În sistemele vii, punctul de referință este întotdeauna citoplasma, deci prefixul hipo- înseamnă că lichidul extracelular are o concentrație mai mică de substanțe dizolvate sau o osmolaritate mai mică decât citoplasma celulară.) De asemenea, înseamnă că lichidul extracelular are o concentrație mai mare de apă în soluție decât celula. În această situație, apa își va urma gradientul de concentrație și va pătrunde în celulă.
Soluții hipertonice
În ceea ce privește o soluție hipertonică, prefixul hiper- se referă la lichidul extracelular având o osmolaritate mai mare decât citoplasma celulei; prin urmare, fluidul conține mai puțină apă decât celula. Deoarece celula are o concentrație relativă mai mare de apă, apa va părăsi celula.
Soluții izotonice
Într-o soluție izotonică, lichidul extracelular are aceeași osmolaritate ca și celula. Dacă osmolaritatea celulei se potrivește cu cea a fluidului extracelular, nu va exista nicio mișcare netă a apei în interiorul sau în afara celulei, deși apa se va mișca în continuare și în afara acesteia.
Celulele sanguine și celulele vegetale în soluții hipertonice, izotonice și hipotonice capătă un aspect caracteristic (Figura 6).
Figura 6 – Presiunea osmotică modifică forma globulelor roșii în soluții hipertonice, izotonice și hipotonice.
Tonicitatea în sistemele vii
Într-un mediu hipoton, apa pătrunde într-o celulă, iar celula se umflă. Într-o stare izotonică, concentrațiile relative de solut și solvent sunt egale pe ambele părți ale membranei. Nu există mișcare netă a apei; prin urmare, nu există nicio modificare a dimensiunii celulei. Într-o soluție hipertonică, apa părăsește o celulă și celula se micșorează. Dacă oricare dintre aceste condiții este perturbată, funcțiile celulei devin compromise și celula poate fi distrusă.
O globulă roșie se va dezintegra sau va suferi liză atunci când se umflă dincolo de capacitatea membranei plasmatice de a se extinde. Membrana seamănă cu un mozaic, cu spații discrete între moleculele care o compun. Dacă celula se umflă, iar spațiile dintre lipide și proteine devin prea mari, celula se va sparge.
În schimb, atunci când cantități excesive de apă părăsesc o globulă roșie, celula se micșorează și capătă o formă crenată. Acest lucru are ca efect concentrarea substanțelor dizolvate rămase în celulă, făcând citosolul mai dens și interferând cu difuzia în interiorul celulei. Capacitatea celulei de a funcționa va fi compromisă și poate duce, de asemenea, la moartea celulei.
Viețuitoarele au modalități de a controla efectele osmozei – un mecanism numit osmoreglare. Unele organisme, cum ar fi plantele, ciupercile, bacteriile și unele protiste, au pereți celulari care înconjoară membrana plasmatică și previn liza celulară într-o soluție hipotonă. Membrana plasmatică se poate extinde doar până la limita peretelui celular, astfel încât celula nu va suferi liză.
De fapt, citoplasma plantelor este întotdeauna ușor hipertonică față de mediul celular, iar apa va intra întotdeauna într-o celulă dacă este disponibilă apă. Acest aflux de apă produce o presiune de turgescență, care întărește pereții celulari ai plantei (Figura 7). La plantele nelemnoase, presiunea de turgescență susține planta. În schimb, dacă planta nu este udată, lichidul extracelular va deveni hipertonic, determinând apa să părăsească celula. În această stare, celula nu se micșorează, deoarece peretele celular nu este flexibil. Cu toate acestea, membrana celulară se desprinde de perete și îngustează citoplasma. Acest fenomen se numește plasmoliză. În aceasta stare, plantele pierd presiunea de turgescență și se ofilesc.
Figura 7 – Presiunea de turgescența din interiorul celulei vegetale depinde de tonicitatea soluției.
Tonicitatea este o preocupare pentru toate lucrurile vii. De exemplu, parameciul și amoeba, care sunt protiste cărora le lipsesc pereții celulari, au vacuole contractile. Această vacuolă colectează excesul de apă din celulă și o pompează afară, împiedicând celula să se dezintegreze pe măsură ce preia apă din mediul său.
Multe nevertebrate marine au niveluri interne de sare potrivite cu mediul lor, făcându-le izotonice în raport cu apa în care trăiesc. Peștii, totuși, trebuie să cheltuiască aproximativ cinci la sută din energia lor metabolică pentru a menține homeostazia osmotică. Peștii de apă dulce trăiesc într-un mediu care este hipotonic pentru celulele lor. Acești pești încorporează în mod activ sare prin branhii și excretă urină diluată pentru a scăpa de excesul de apă. Peștii de apă sărată trăiesc într-un mediu opus, care este hipertonic pentru celulele lor; de aceea, ei secretă sare prin branhii și excretă urină foarte concentrată.
La vertebrate, rinichii reglează cantitatea de apă din organism. Osmoreceptorii sunt celule specializate din creier care monitorizează concentrația de substanțe dizolvate din sânge. Dacă nivelurile de substanțe dizolvate cresc dincolo de un anumit interval, este eliberat un hormon care reduce pierderea de apă prin rinichi și diluează sângele la niveluri mai sigure. Animalele au, de asemenea, concentrații mari de albumină, care este eliberată de ficat în sângele lor. Această proteină este prea mare pentru a trece cu ușurință prin membranele plasmatice și este un factor major în controlul presiunilor osmotice de la nivelul țesuturilor.
Sursa (text și ilustrații): Openstax.org