Osmoza, osmolalnost i toničnost

Osmoza povezuje raspored rastvorenih čestica sa kretanjem vode kroz membranu. Osmolalnost opisuje ukupan broj osmotski aktivnih čestica u odnosu na masu vode, dok toničnost opisuje efekat rastvora na dugotrajniji volumen ćelije. Razlika između ova dva pojma ključna je jer rastvor može sadržati mnogo čestica koje lako prelaze membranu i zato ne održavaju trajan gradijent koji pomjera vodu.

Osmoza kao pasivni odgovor

Voda se kreće prema prostoru u kojem osmotski uslovi više smanjuju njenu hemijsku raspoloživost. U jednostavnom modelu sa membranom propustljivom za vodu, a nepropustljivom za rastvorenu supstancu, tok ide prema višoj koncentraciji te supstance. Hidrostatski pritisak koji se suprotstavlja toku može ga zaustaviti. Osmotski pritisak predstavlja mjeru tog potrebnog protivpritiska.

Kretanje vode nije aktivno pumpanje ATP-om. Membrana može omogućavati prolaz vode kroz akvaporine i druge puteve, ali energija koja pokreće razmjenu dolazi iz razlike uslova sa njene dvije strane. Aktivni transport rastvorenih supstanci može prethodno stvoriti takvu razliku i time posredno usmjeravati vodu.

Osmolalnost i osmolaritet

Osmolalnost se izražava brojem osmola po kilogramu vode. Osmolaritet izražava broj osmola po litru rastvora. U razblaženim tjelesnim tečnostima vrijednosti mogu biti bliske, ali definicije nisu iste. Pri formalnom proračunu potrebno je navesti koji se odnos koristi, umjesto zamjene jedinica bez objašnjenja.

Broje se čestice, a ne samo molekuli prvobitno dodate supstance. Disocijacija elektrolita povećava broj čestica, dok međujonske interakcije mogu odstupiti od potpuno idealnog modela. Zato osmolalnost nije isto što i ukupna masa rastvorenih materija. Teži molekul ne mora stvarati veći osmotski efekat ako broj njegovih čestica nije veći.

Za tok preko membrane treba uporediti osmotske uslove obje strane. Takođe treba znati da li se rastvorene čestice zadržavaju na strani na kojoj su dodate. Izračunati osmotski pritisak rastvora nije automatski jednak pritisku koji taj rastvor dugoročno djelotvorno ostvaruje na svakoj biološkoj membrani.

Tonicitet zavisi od membrane

Tonicitet ili toničnost opisuje uticaj rastvora na volumen ćelije nakon raspodjele rastvorenih supstanci koja je relevantna za posmatrani period. Hipertonična okolina dovodi do izlaska vode i smanjenja ćelijskog volumena. Hipotonična okolina povećava ulazak vode i volumen ćelije. Izotonična okolina ne izaziva trajnu promjenu volumena pod tim uslovima.

Efektivna osmola ostaje dovoljno odvojena membranom da održava razliku koja pomjera vodu. Refleksioni koeficijent opisuje koliko membrana zadržava određenu rastvorenu supstancu u odnosu na njen idealni osmotski efekat. On zavisi od supstance i membrane, pa ne postoji jedna apsolutna oznaka djelotvornosti nezavisna od barijere.

Urea je važan primjer razlike. U mnogim ćelijama može prolaziti dovoljno lako da se postupno rasporedi sa obje strane. Nagla promjena spoljašnje uree može prvo izazvati pomjeranje vode, jer voda i urea ne prolaze jednakom brzinom. Nakon izjednačavanja uree njen trajni doprinos volumenskoj razlici slabi. Zato izoosmotski rastvor nije obavezno izotoničan za svaku ćeliju i svako vrijeme posmatranja.

Promjena volumena i ćelijska regulacija

Nagli ulazak vode razblažuje unutarćelijske supstance i povećava veličinu ćelije. Izlazak vode ih koncentriše i smanjuje veličinu. Ćelije mogu prilagođavati sadržaj jona i organskih osmola kako bi ograničile te promjene, ali taj odgovor zahtijeva vrijeme i zavisi od tipa ćelije.

Osmotska ravnoteža ne znači da su svi rastvoreni joni dostigli jednake koncentracije. Ćelije aktivnim transportom održavaju različit sastav, dok se voda raspoređuje prema ukupnom efektivnom osmotskom djelovanju. Na⁺/K⁺-ATPaza zato doprinosi i kontroli ćelijskog volumena, iako neposredno prenosi jone, a ne vodu.

Integracija sa organizmom

Bubrezi regulišu gubitak vode i rastvorenih materija, a žeđ i ADH povezuju promjene vanćelijskih uslova sa unosom i izlučivanjem. Sastav plazme tako postaje ulazni uslov za ćelije različitih organa. Za zaključak o njihovom volumenu važan je identitet osmola, ne samo zbirna koncentracija čestica.

Zapamti

• Osmolalnost broji čestice, toničnost opisuje njihov efektivni uticaj na ćelijski volumen.
• Propustljivost i vrijeme posmatranja određuju da li osmola djeluje trajno.
• Jednaka osmolalnost ne dokazuje jednak sastav ni nužno izotoničnost.