Ósmosis

La ósmosis u osmosis es el movimiento neto espontáneo o la difusión de moléculas de solvente a través de una membrana selectivamente permeable desde una región de alto potencial hídrico (región de menor concentración de soluto) a una región de bajo potencial hídrico (región de mayor concentración de soluto), en la dirección que tiende a igualar las concentraciones de soluto en los dos lados.También se puede usar para describir un proceso físico en el que cualquier solvente se mueve a través de una membrana selectivamente permeable (permeable al solvente, pero no al soluto) separando dos soluciones de diferentes concentraciones. Se puede hacer que la ósmosis haga trabajo. La presión osmótica se define como la presión externa que se requiere aplicar para que no haya un movimiento neto de solvente a través de la membrana. La presión osmótica es una propiedad coligativa, lo que significa que la presión osmótica depende de la concentración molar del soluto pero no de su identidad.

La ósmosis es un proceso vital en los sistemas biológicos, ya que las membranas biológicas son semipermeables. En general, estas membranas son impermeables a moléculas grandes y polares, como iones, proteínas y polisacáridos, mientras que son permeables a moléculas no polares o hidrofóbicas como lípidos, así como a moléculas pequeñas como oxígeno, dióxido de carbono, nitrógeno y nítrico. óxido. La permeabilidad depende de la solubilidad, la carga o la química, así como del tamaño del soluto. Las moléculas de agua viajan a través de la membrana plasmática, la membrana del tonoplasto (vacuola) o el protoplasto al difundirse a través de la bicapa de fosfolípidos a través de las acuaporinas (pequeñas proteínas transmembrana similares a las responsables de la difusión facilitada y los canales iónicos). La ósmosis proporciona el medio principal por el cual el agua se transporta dentro y fuera de las células.

Historia

Se han observado algunos tipos de flujo osmótico desde la antigüedad, por ejemplo, en la construcción de las pirámides egipcias. Jean-Antoine Nollet documentó por primera vez la observación de la ósmosis en 1748. La palabra "ósmosis" desciende de las palabras "endosmose" y "exosmose", que fueron acuñadas por el médico francés René Joachim Henri Dutrochet (1776-1847) de las palabras griegas ἔνδον (éndon "dentro"), ἔξω (éxō "externo, externo") y ὠσμός (ōsmós "empuje, impulsión"). En 1867, Moritz Traube inventó las membranas de precipitación altamente selectivas, avanzando en el arte y la técnica de medición del flujo osmótico.

Descripción

La ósmosis es el movimiento de un solvente a través de una membrana semipermeable hacia una mayor concentración de soluto. En los sistemas biológicos, el solvente suele ser agua, pero la ósmosis puede ocurrir en otros líquidos, líquidos supercríticos e incluso gases.

Cuando una célula se sumerge en agua, las moléculas de agua pasan a través de la membrana celular desde un área de baja concentración de soluto a una alta concentración de soluto. Por ejemplo, si la célula se sumerge en agua salada, las moléculas de agua salen de la célula. Si una célula se sumerge en agua dulce, las moléculas de agua entran en la célula.

Cuando la membrana tiene un volumen de agua pura en ambos lados, las moléculas de agua entran y salen en cada dirección exactamente a la misma velocidad. No hay flujo neto de agua a través de la membrana.

La ósmosis se puede demostrar cuando se agregan rodajas de papa a una solución con alto contenido de sal. El agua del interior de la papa sale a la solución, lo que hace que la papa se encoja y pierda su "presión de turgencia". Cuanto más concentrada la solución de sal, mayor es la pérdida de tamaño y peso de la rodaja de patata.

Los jardines químicos demuestran el efecto de la ósmosis en la química inorgánica.

Mecanismo

El mecanismo responsable de impulsar la ósmosis se ha representado comúnmente en textos de biología y química como la dilución de agua por soluto (lo que resulta en una menor concentración de agua en el lado de la membrana con mayor concentración de soluto y, por lo tanto, una difusión de agua a lo largo de un gradiente de concentración) o por la atracción de un soluto por el agua (lo que da como resultado menos agua libre en el lado de la membrana con mayor concentración de soluto y, por lo tanto, un movimiento neto de agua hacia el soluto). Ambas nociones han sido refutadas de manera concluyente.

El modelo de difusión de la ósmosis se vuelve insostenible por el hecho de que la ósmosis puede conducir el agua a través de una membrana hacia una mayor concentración de agua. El modelo de "agua unida" es refutado por el hecho de que la ósmosis es independiente del tamaño de las moléculas de soluto, una propiedad coligativa, o cuán hidrofílicas son.

Es difícil describir la ósmosis sin una explicación mecánica o termodinámica, pero esencialmente existe una interacción entre el soluto y el agua que contrarresta la presión que de otro modo ejercerían las moléculas de soluto libre. Un hecho a tener en cuenta es que el calor del entorno se puede convertir en energía mecánica (ascenso del agua).

Muchas explicaciones termodinámicas abordan el concepto de potencial químico y cómo la función del agua en el lado de la solución difiere de la del agua pura debido a la mayor presión y la presencia del soluto que se contrarresta de tal manera que el potencial químico permanece sin cambios. El teorema del virial demuestra que la atracción entre las moléculas (agua y soluto) reduce la presión y, por lo tanto, la presión que ejercen las moléculas de agua entre sí en la solución es menor que en el agua pura, lo que permite que el agua pura "fuerce" la solución hasta que la presión alcanza el equilibrio.

Papel en los seres vivos

La presión osmótica es el principal agente de soporte en muchas plantas. La entrada osmótica de agua eleva la presión de turgencia ejercida contra la pared celular, hasta igualar la presión osmótica, creando un estado estacionario.

Cuando una célula vegetal se coloca en una solución que es hipertónica en relación con el citoplasma, el agua sale de la célula y la célula se encoge. Al hacerlo, la célula se vuelve flácida. En casos extremos, la célula se plasmoliza: la membrana celular se desprende de la pared celular debido a la falta de presión de agua sobre ella.

Cuando una célula vegetal se coloca en una solución que es hipotónica en relación con el citoplasma, el agua se mueve hacia la célula y la célula se hincha y se vuelve turgente.

La ósmosis es responsable de la capacidad de las raíces de las plantas para extraer agua del suelo. Las plantas concentran los solutos en las células de sus raíces por transporte activo y el agua entra a las raíces por ósmosis. La ósmosis también es responsable de controlar el movimiento de las células de guardia.

En ambientes inusuales, la ósmosis puede ser muy dañina para los organismos. Por ejemplo, los peces de acuario de agua dulce y salada colocados en agua de una salinidad diferente a la que están adaptados morirán rápidamente y, en el caso de los peces de agua salada, dramáticamente. Otro ejemplo de un efecto osmótico dañino es el uso de sal de mesa para matar sanguijuelas y babosas.

Supongamos que una célula animal o vegetal se coloca en una solución de azúcar o sal en agua.

• Si el medio es hipotónico en relación con el citoplasma celular, la célula ganará agua por ósmosis.
• Si el medio es isotónico, no habrá movimiento neto de agua a través de la membrana celular.
• Si el medio es hipertónico con respecto al citoplasma celular, la célula perderá agua por ósmosis.

Esto significa que si una célula se pone en una solución que tiene una concentración de soluto más alta que la suya, se arrugará, y si se pone en una solución con una concentración de soluto más baja que la suya, la célula se hinchará e incluso puede explotar..

Factores

Presión osmótica

Puede oponerse a la ósmosis aumentando la presión en la región de alta concentración de soluto con respecto a la de la región de baja concentración de soluto. La fuerza por unidad de área, o presión, requerida para evitar el paso de agua (o cualquier otra solución de alta liquidez) a través de una membrana selectivamente permeable hacia una solución de mayor concentración es equivalente a la presión osmótica de la solución, o turgencia. La presión osmótica es una propiedad coligativa, lo que significa que la propiedad depende de la concentración del soluto, pero no de su contenido o identidad química.

Gradiente osmótico

El gradiente osmótico es la diferencia de concentración entre dos soluciones a cada lado de una membrana semipermeable y se utiliza para indicar la diferencia en porcentajes de la concentración de una partícula específica disuelta en una solución.

Por lo general, el gradiente osmótico se usa al comparar soluciones que tienen una membrana semipermeable entre ellas que permite que el agua se difunda entre las dos soluciones, hacia la solución hipertónica (la solución con la concentración más alta). Eventualmente, la fuerza de la columna de agua en el lado hipertónico de la membrana semipermeable igualará la fuerza de difusión en el lado hipotónico (el lado con menor concentración), creando el equilibrio. Cuando se alcanza el equilibrio, el agua continúa fluyendo, pero fluye en ambos sentidos en cantidades iguales y con la misma fuerza, por lo que estabiliza la solución.

Variación

Osmosis inversa

La ósmosis inversa es un proceso de separación que usa presión para forzar un solvente a través de una membrana semipermeable que retiene el soluto en un lado y permite que el solvente puro pase al otro lado, forzándolo desde una región de alta concentración de soluto a través de una membrana. a una región de baja concentración de soluto aplicando una presión superior a la presión osmótica.

ósmosis directa

La ósmosis se puede usar directamente para lograr la separación del agua de una solución que contiene solutos no deseados. Se utiliza una solución de "extracción" de mayor presión osmótica que la solución de alimentación para inducir un flujo neto de agua a través de una membrana semipermeable, de modo que la solución de alimentación se concentra a medida que la solución de extracción se diluye. La solución de extracción diluida puede usarse directamente (como con un soluto ingerible como la glucosa) o enviarse a un proceso de separación secundario para la eliminación del soluto de extracción. Esta separación secundaria puede ser más eficiente que un proceso de ósmosis inversa por sí solo, según el soluto extraído utilizado y el agua de alimentación tratada. La ósmosis directa es un área de investigación en curso, que se centra en aplicaciones en desalinización, purificación de agua, tratamiento de agua, procesamiento de alimentos y otras áreas de estudio.