Osmoz
Ozmoz, çözücü maddelerinin çok yoğun ortamdan az yoğun ortama, seçici geçirgen bir zardan enerji harcanmadan geçişidir. ⓘ
Canlı sistemlerde çözücü madde su olduğu için, biyoloji biliminde osmoz terimi ile kastedilen, suyun çok yoğun ortamdan az yoğun ortama seçici geçirgen bir zardan enerji harcanmadan geçişidir. Bu tanımda, seçici geçirgen zardan kasıt, çözünenleri geçirmeyen fakat çözücüleri geçiren bir zardır. ⓘ
Süzgeç gibi davranan zar, küçük moleküllerin kolayca geçmelerine olanak verirken büyük moleküllerin geçişini engeller. Yoğunluğu daha az olan taraftaki sıvı moleküllerinin, yoğunluğu yüksek tarafa geçmeleri, zarın iki tarafındaki yoğunlukların dengelenmesine yardımcı olur. (bkz: Geçişme dengesi) ⓘ
Canlı bir hücre, konsantrasyonu hücre sitoplazmik konsantrasyonundan daha düşük hipotonik bir ortama konulduğunda, ortamdan hücre içine, hücre zarı vasıtası ile su geçişi, bir başka deyişle osmoz gerçekleşir. Bu geçiş, hücrenin sitoplazmik konsantrasyonu, hipotonik çözeltinin konsantrasyonuna seyrelinceye kadar devam eder. Hipotonik çözeltilerde hayvan hücreleri şişer, bitki hücreleri ve hücre duvarı bulunan diğer hücreler ise şişmez. Eğer, bir hayvan hücresi, hipotonik çözeltinin konsantrasyonunun çok düşük olması sebebiyle çok fazla su alırsa, hücre zarının esnekliği yeterli olmaz ve hücre patlayabilir. Hayvan hücresinin patlamasına hemoliz denir. Canlı bir hücre, konsantrasyonu hücre sitoplazmik konsantrasyonundan daha yüksek hipertonik bir ortama konulduğunda, hücre içinden ortama, hücre zarı vasıtası ile su geçişi, başka deyişle osmoz gerçekleşir. Bu geçiş, hücrenin sitoplazmik konsantrasyonu, hipertonik çözeltinin konsantrasyonuna yükselinceye kadar devam eder. Bu durumda, su kaybından dolayı hücrelerin hacimleri küçülür ve büzülürler. ⓘ
Canlı bir hücre, konsantrasyonu hücre sitoplazmik konsantrasyonu ile aynı olan izotonik bir ortamda iken, hücre içi ile ortam arasında konsantrasyon dengesi sağlanmış demektir. Bu durumda, hücre zarından su geçişi, başka deyişle osmoz gerçekleşmez. Yani hücre içindeki su miktarı aynı kalır. ⓘ
Pasif taşıma sırasında ATP harcanmaz. Canlı ve cansız ortamda gerçekleşebilir. Küçük moleküllerin geçişidir. ⓘ
Biyolojik membranlar yarı geçirgen olduğu için ozmoz biyolojik sistemlerde hayati bir süreçtir. Genel olarak, bu membranlar iyonlar, proteinler ve polisakkaritler gibi büyük ve polar moleküllere karşı geçirimsizken, lipitler gibi polar olmayan veya hidrofobik moleküllerin yanı sıra oksijen, karbondioksit, nitrojen ve nitrik oksit gibi küçük moleküllere karşı geçirgendir. Geçirgenlik çözünürlük, yük veya kimyanın yanı sıra çözünen maddenin boyutuna da bağlıdır. Su molekülleri, akuaporinler (kolaylaştırılmış difüzyon ve iyon kanallarından sorumlu olanlara benzer küçük transmembran proteinler) aracılığıyla fosfolipid çift katman boyunca difüze olarak plazma membranı, tonoplast membranı (vakuol) veya organel membranları boyunca hareket eder. Osmoz, suyun hücre içine ve dışına taşınmasını sağlayan birincil yoldur. Bir hücrenin turgor basıncı büyük ölçüde hücre zarı boyunca hücre içi ve nispeten hipotonik ortamı arasındaki osmoz ile korunur. ⓘ
Tarihçe
Bazı ozmotik akış türleri antik çağlardan beri gözlemlenmiştir, örneğin Mısır piramitlerinin yapımında. Jean-Antoine Nollet ilk olarak 1748 yılında ozmoz gözlemini belgelemiştir. "Osmoz" kelimesi, Fransız doktor René Joachim Henri Dutrochet (1776-1847) tarafından Yunanca ἔνδον (éndon "iç"), ἔξω (éxō "dış, harici") ve ὠσμός (ōsmós "itme, dürtü") kelimelerinden türetilen "endosmose" ve "exosmose" kelimelerinden türemiştir. 1867'de Moritz Traube yüksek seçiciliğe sahip çökeltme membranlarını icat ederek ozmotik akış ölçümü sanatını ve tekniğini ilerletmiştir. ⓘ
Açıklama
Osmoz, bir çözücünün yarı geçirgen bir membran boyunca daha yüksek bir çözünen konsantrasyonuna doğru hareketidir. Biyolojik sistemlerde çözücü tipik olarak sudur, ancak ozmoz diğer sıvılarda, süperkritik sıvılarda ve hatta gazlarda da meydana gelebilir. ⓘ
Bir hücre suya batırıldığında, su molekülleri hücre zarından düşük çözünen madde konsantrasyonuna sahip bir alandan yüksek çözünen madde konsantrasyonuna geçer. Örneğin, hücre tuzlu suya batırılırsa, su molekülleri hücrenin dışına doğru hareket eder. Eğer bir hücre tatlı suya batırılırsa, su molekülleri hücre içine doğru hareket eder.
Membranın her iki tarafında da saf su hacmi olduğunda, su molekülleri her yöne tam olarak aynı oranda girer ve çıkar. Membran boyunca net bir su akışı yoktur. ⓘ
Osmoz, patates dilimleri yüksek tuzlu bir çözeltiye eklendiğinde gösterilebilir. Patatesin içindeki su çözeltiye doğru hareket ederek patatesin büzülmesine ve 'turgor basıncını' kaybetmesine neden olur. Tuz çözeltisi ne kadar konsantre olursa, patates diliminin boyut ve ağırlığındaki kayıp da o kadar büyük olur. ⓘ
Kimyasal bahçeler inorganik kimyada osmozun etkisini göstermektedir. ⓘ
Mekanizma
Osmozu tetikleyen mekanizma biyoloji ve kimya metinlerinde genellikle ya suyun çözünen madde tarafından seyreltilmesi (membranın yüksek çözünen madde konsantrasyonu tarafında daha düşük su konsantrasyonu ve dolayısıyla suyun bir konsantrasyon gradyanı boyunca difüzyonu ile sonuçlanır) ya da bir çözünen maddenin suyu çekmesi (membranın yüksek çözünen madde konsantrasyonu tarafında daha az serbest su ve dolayısıyla suyun çözünen maddeye doğru net hareketi ile sonuçlanır) olarak temsil edilmiştir. Bu kavramların her ikisi de kesin olarak çürütülmüştür. ⓘ
Osmozun difüzyon modeli, osmozun suyu bir zar boyunca daha yüksek bir su konsantrasyonuna doğru yönlendirebileceği gerçeğiyle savunulamaz hale getirilmiştir. "Bağlı su" modeli, osmozun çözünen moleküllerin boyutundan (kolligatif bir özellik) veya ne kadar hidrofilik olduklarından bağımsız olduğu gerçeğiyle çürütülmüştür. ⓘ
Ozmozu mekanik veya termodinamik bir açıklama olmadan tanımlamak zordur, ancak esasen çözünen madde ile su arasında, aksi takdirde serbest çözünen madde moleküllerinin uygulayacağı basınca karşı koyan bir etkileşim vardır. Dikkat edilmesi gereken bir gerçek de çevreden gelen ısının mekanik enerjiye (suyun yükselmesi) dönüştürülebilmesidir. ⓘ
Birçok termodinamik açıklama, kimyasal potansiyel kavramına ve çözelti tarafındaki suyun işlevinin, daha yüksek basınç ve kimyasal potansiyelin değişmeden kalmasını sağlayacak şekilde karşı koyan çözünen maddenin varlığı nedeniyle saf sudan nasıl farklı olduğuna değinmektedir. Virial teoremi, moleküller (su ve çözünen madde) arasındaki çekimin basıncı azalttığını ve böylece su moleküllerinin çözelti içinde birbirlerine uyguladıkları basıncın saf suya göre daha az olduğunu ve saf suyun basınç dengeye ulaşana kadar çözeltiyi "zorlamasına" izin verdiğini göstermektedir. ⓘ
Canlılardaki rolü
Ozmotik basınç birçok bitkide ana destek unsurudur. Suyun ozmotik girişi, hücre duvarına uygulanan turgor basıncını, ozmotik basınca eşit olana kadar yükseltir ve kararlı bir durum yaratır. ⓘ
Bir bitki hücresi sitoplazmaya göre hipertonik olan bir çözeltiye yerleştirildiğinde, su hücreden dışarı çıkar ve hücre küçülür. Bunu yaparken, hücre sarkık hale gelir. Aşırı durumlarda, hücre plazmolize olur - hücre zarı, üzerindeki su basıncı eksikliği nedeniyle hücre duvarından ayrılır. ⓘ
Bir bitki hücresi sitoplazmaya göre hipotonik olan bir çözeltiye yerleştirildiğinde, su hücre içine doğru hareket eder ve hücre şişerek turgid hale gelir. ⓘ
Osmoz, bitki köklerinin topraktan su çekme yeteneğinden sorumludur. Bitkiler aktif taşıma yoluyla solütleri kök hücrelerinde yoğunlaştırır ve su ozmoz yoluyla köklere girer. Ozmoz ayrıca koruma hücrelerinin hareketini kontrol etmekten de sorumludur. ⓘ
Olağandışı ortamlarda, osmoz organizmalar için çok zararlı olabilir. Örneğin, tatlı su ve tuzlu su akvaryum balıkları, adapte olduklarından farklı bir tuzluluktaki suya yerleştirildiklerinde hızla ve tuzlu su balıkları söz konusu olduğunda dramatik bir şekilde öleceklerdir. Zararlı ozmotik etkinin bir başka örneği de sülük ve sümüklü böcekleri öldürmek için sofra tuzu kullanılmasıdır. ⓘ
Bir hayvan ya da bitki hücresinin sudaki şeker ya da tuz çözeltisine yerleştirildiğini varsayalım.
- Eğer ortam hücre sitoplazmasına göre hipotonik ise, hücre osmoz yoluyla su kazanacaktır.
- Ortam izotonik ise, hücre zarı boyunca net bir su hareketi olmayacaktır.
- Ortam hücre sitoplazmasına göre hipertonik ise, hücre ozmoz yoluyla su kaybedecektir. ⓘ
Bu, bir hücre kendisinden daha yüksek çözünen madde konsantrasyonuna sahip bir çözeltiye konulursa büzüşeceği ve kendisinden daha düşük çözünen madde konsantrasyonuna sahip bir çözeltiye konulursa hücrenin şişeceği ve hatta patlayabileceği anlamına gelir. ⓘ
Faktörler
Ozmotik basınç
Osmoza, yüksek çözünen madde konsantrasyonu bölgesindeki basıncın düşük çözünen madde konsantrasyonu bölgesindekine göre arttırılmasıyla karşı konulabilir. Suyun (ya da herhangi bir diğer yüksek sıvılı çözeltinin) seçici olarak geçirgen bir zardan geçerek daha yüksek konsantrasyonlu bir çözeltiye geçişini önlemek için gereken birim alan başına kuvvet ya da basınç, çözeltinin ozmotik basıncına ya da turgoruna eşdeğerdir. Ozmotik basınç koligatif bir özelliktir, yani bu özellik çözünen maddenin konsantrasyonuna bağlıdır, içeriğine veya kimyasal kimliğine bağlı değildir. ⓘ
Ozmotik gradyan
Ozmotik gradyan, yarı geçirgen bir membranın her iki tarafındaki iki çözelti arasındaki konsantrasyon farkıdır ve bir çözeltide çözünmüş belirli bir partikülün konsantrasyon yüzdelerindeki farkı söylemek için kullanılır. ⓘ
Genellikle ozmotik gradyan, aralarında suyun iki çözelti arasında hipertonik çözeltiye (daha yüksek konsantrasyona sahip çözelti) doğru difüze olmasına izin veren yarı geçirgen bir membran bulunan çözeltileri karşılaştırırken kullanılır. Sonunda, yarı geçirgen membranın hipertonik tarafındaki su sütununun kuvveti, hipotonik (daha düşük konsantrasyonlu taraf) taraftaki difüzyon kuvvetine eşit olacak ve denge oluşacaktır. Dengeye ulaşıldığında, su akmaya devam eder, ancak her iki yöne de eşit miktarda ve kuvvette akar, bu nedenle çözeltiyi stabilize eder. ⓘ
Varyasyon
Ters osmoz
Ters ozmoz, bir çözücüyü, çözüneni bir tarafta tutan ve saf çözücünün diğer tarafa geçmesine izin veren yarı geçirgen bir membrandan geçirmeye zorlamak için basınç kullanan, ozmotik basıncın üzerinde bir basınç uygulayarak bir membrandan yüksek çözünen konsantrasyonlu bir bölgeden düşük çözünen konsantrasyonlu bir bölgeye zorlayan bir ayırma işlemidir. ⓘ
İleri ozmoz
Osmoz, istenmeyen çözünen maddeler içeren bir çözeltiden suyun ayrılmasını sağlamak için doğrudan kullanılabilir. Besleme çözeltisinden daha yüksek ozmotik basınca sahip bir "çekme" çözeltisi, yarı geçirgen bir membrandan net bir su akışı sağlamak için kullanılır, öyle ki çekme çözeltisi seyreltik hale geldikçe besleme çözeltisi konsantre hale gelir. Seyreltilmiş çekme solüsyonu daha sonra doğrudan kullanılabilir (glikoz gibi yutulabilir bir solütte olduğu gibi) veya çekme solütünün uzaklaştırılması için ikincil bir ayırma işlemine gönderilebilir. Bu ikincil ayırma işlemi, kullanılan çekim çözeltisine ve arıtılan besleme suyuna bağlı olarak ters osmoz işleminin tek başına yapabileceğinden daha verimli olabilir. İleri ozmoz, tuzdan arındırma, su arıtma, su arıtma, gıda işleme ve diğer çalışma alanlarındaki uygulamalara odaklanan, devam eden bir araştırma alanıdır. ⓘ