Osmosi

Per osmosi si intende il movimento delle molecole d'acqua lungo un gradiente di potenziale idrico, attraverso una membrana semipermeabile. Si tratta di un processo passivo, in quanto non è necessaria energia per questo tipo di trasporto. Per comprendere a fondo questa definizione, è necessario innanzitutto definire cosa si intende per potenziale idrico.

Che cos'è il potenziale idrico?

Il potenziale idrico può essere descritto come una misura dell'energia potenziale delle molecole d'acqua, o in alternativa, come la tendenza delle molecole d'acqua a spostarsi da una soluzione. L'unità di misura è il kPa (Ψ) e questo valore è determinato dai soluti disciolti nella soluzione.

L'acqua pura non contiene soluti. L'acqua pura ha quindi un potenziale idrico di 0 kPa, il valore più alto che una soluzione possa avere. Il potenziale idrico diventa sempre più negativo man mano che nella soluzione sono disciolti più soluti.

Il concetto di potenziale idrico può essere analizzando anche dalla prospettiva delle soluzioni diluite e concentrate. Le soluzioni diluite hanno un potenziale idrico più alto di quelle concentrate. Questo perché le soluzioni diluite contengono meno soluti di quelle concentrate. L'acqua fluirà sempre da un potenziale idrico più alto a uno più basso, da una soluzione più diluita a una più concentrata.

Che cos'è la tonicità?

Per comprendere l'osmosi nelle cellule viventi, dobbiamo innanzitutto definire tre tipi di soluzione (o tipi di tonicità):

• Soluzione ipotonica
• Soluzione isotonica
• Soluzione ipertonica

Una soluzione ipotonica ha un potenziale idrico più alto rispetto all'interno della cellula. Le molecole d'acqua tendono a spostarsi all'interno della cellula per osmosi, lungo un gradiente di potenziale idrico. Ciò significa che la soluzione contiene meno soluti rispetto all'interno della cellula.

Una soluzione isotonica ha lo stesso potenziale idrico dell'interno della cellula. Le molecole d'acqua si muovono ancora, ma non c'è un movimento netto, poiché la velocità di osmosi è la stessa in entrambe le direzioni.

Una soluzione ipertonica ha un potenziale idrico inferiore a quello dell'interno della cellula. Le molecole d'acqua tendono a spostarsi fuori dalla cellula attraverso l'osmosi. Ciò significa che la soluzione contiene più soluti rispetto all'interno della cellula.

Osmosi nelle cellule vegetali

Le cellule vegetali contengono pareti cellulari rigide fatte di cellulosa. Questa struttura contribuisce a mantenere una caratteristica chiamata turgore, che descrive lo stato delle cellule di essere gonfie e compatte sotto la pressione dell'acqua in esse contenuta.

Questa caratteristica è molto importante per stabilizzare i tessuti vegetali e prevenire l'appassimento. Il turgore cellulare si ottiene solo quando le cellule vegetali vengono poste in una soluzione ipotonica, poiché l'acqua si diffonde nella cellula per osmosi. Quando le molecole d'acqua entrano nella cellula, esercitano una pressione contro la membrana cellulare che è quindi costretta a premere contro la parete cellulare. Questo fenomeno è chiamato pressione di turgore o pressione idrostatica. In queste condizioni, la cellula vegetale appare gonfia e compatta.

Se poste in una soluzione ipertonica, le cellule vegetali subiscono la plasmolisi. Questo è il processo attraverso il quale l'acqua lascia la cellula per osmosi, causando il restringimento del citoplasma dalla parete cellulare. L'aspetto della cellula vegetale è detto flaccido.

Anche quando poste in una soluzione isotonica, le cellule vegetali si dicono flaccide. Non c'è movimento netto di molecole d'acqua, quindi le cellule non sono né turgide né hanno subito la plasmolisi.

Come risultato dell'osmosi, le cellule vegetali funzionano meglio in ambienti ipotonici grazie al loro turgore.

Figura 1.

Cellule ciliate delle radici

L'assorbimento dell'acqua nelle cellule ciliate delle piante si basa sull'osmosi. Il citoplasma e il vacuolo delle cellule ciliate delle radici contengono molti soluti disciolti, il che significa che hanno un potenziale idrico inferiore a quello del suolo. Grazie a questo gradiente di potenziale idrico, le molecole d'acqua si spostano nella cellula pilifera dal suolo. Questo gradiente di potenziale idrico viene mantenuto quando l'acqua si sposta nelle cellule vicine, lungo un gradiente di potenziale idrico attraverso la membrana semipermeabile di ciascuna cellula.

Osmosi nelle cellule animali

A differenza delle cellule vegetali, le cellule animali dispongono di una parete cellulare per resistere agli aumenti di pressione idrostatica.

Se poste in una soluzione ipotonica, le cellule animali subiscono la citolisi. Questo è il processo attraverso il quale le molecole d'acqua entrano nella cellula per osmosi, causando la rottura della membrana cellulare a causa dell'elevata pressione idrostatica.

Al contrario, le cellule animali poste in una soluzione ipertonica diventano crenate. Questo descrive lo stato in cui la cellula si restringe e appare rugosa a causa dell'uscita delle molecole d'acqua dalla cellula.

Quando viene posta in una soluzione isotonica, la cellula rimane invariata perché non c'è movimento netto di molecole d'acqua. Questa è la condizione ideale perché non si vuole che la cellula animale, ad esempio un globulo rosso, perda o guadagni acqua. Fortunatamente, il nostro sangue è considerato isotonico per quanto riguarda i globuli rossi.

Figura 2

Il riassorbimento di acqua nei nefroni

Il riassorbimento dell'acqua avviene nei nefroni, piccole strutture dei reni. Nel tubulo contorto prossimale, che è una struttura all'interno dei nefroni, i minerali, gli ioni e i soluti vengono pompati attivamente all'esterno, il che significa che l'interno del tubulo ha un potenziale idrico più alto rispetto al fluido tissutale. Questo fa sì che l'acqua si sposti nel fluido tissutale, lungo un gradiente di potenziale idrico attraverso l'osmosi.

A livello dell'arto discendente (un'altra struttura tubulare dei nefroni) il potenziale idrico è ancora più alto del fluido tissutale. Anche in questo caso, l'acqua si sposta nel fluido tissutale, lungo un gradiente di potenziale idrico.

I fattori che influenzano l'osmosi

Analogamente alla velocità di diffusione, la velocità di osmosi può essere influenzata da diversi fattori, tra cui:

• Gradiente di potenziale idrico
• Area superficiale
• Temperatura
• Presenza di acquaporine

Gradiente di potenziale idrico

Maggiore è il gradiente di potenziale idrico, più veloce è la velocità di osmosi. Ad esempio, la velocità di osmosi è maggiore tra due soluzioni a -50kPa e -10kPa rispetto a -15kPa e -10kPa.

Area superficiale

Maggiore è la superficie, più veloce è il tasso di osmosi. Questa è fornita da un'ampia membrana semipermeabile, in quanto è la struttura attraverso la quale si muovono le molecole d'acqua.

Temperatura

Più alta è la temperatura, più veloce è il tasso di osmosi. Questo perché le temperature più elevate forniscono alle molecole d'acqua una maggiore energia cinetica che permette loro di muoversi più velocemente.

Presenza di acquaporine

Le acquaporine sono proteine canale selettive per le molecole d'acqua. Maggiore è il numero di acquaporine presenti nella membrana cellulare, maggiore è la velocità di diffusione. Le acquaporine e la loro funzione sono spiegate in modo più approfondito nella sezione seguente.

Acquaporine

Le acquaporine sono proteine canale che si estendono per tutta la lunghezza della membrana cellulare. Sono altamente selettive per le molecole d'acqua e quindi permettono il passaggio delle molecole d'acqua attraverso la membrana cellulare senza bisogno di energia. Sebbene le molecole d'acqua possano muoversi liberamente attraverso la membrana cellulare da sole, grazie alle loro piccole dimensioni e alla loro polarità, le acquaporine sono progettate per facilitare una rapida osmosi.

Figura 3

Si tratta di un aspetto molto importante, poiché l'osmosi che ha luogo senza acquaporine nelle cellule viventi è troppo lenta. La loro funzione principale è quella di aumentare la velocità dell'osmosi.

Ad esempio, le cellule che rivestono il dotto collettore dei reni contengono molte acquaporine nelle loro membrane cellulari. Questo serve ad accelerare la velocità di riassorbimento dell'acqua nel sangue.

Studio dell'osmosi nelle cellule vegetali

Hai potuto apprendere i meccanismi tramite il quale funzione l'osmosi e ora potrai imparare ad eseguire un esperimento per studiare tale processo.

Nel sottoparagrafo seguente verrà descritto come calcolare il potenziale idrico all'interno delle cellule di patata utilizzando diluizioni di soluzione di saccarosio.

Ciò di cui avrai bisogno è:

• Una patata
• Una apribottiglia per tappi di sughero
• Un set di bilance per pesare
• Acqua distillata
• Soluzione di saccarosio
• Provette per l'ebollizione
• Contenitore con acqua

1. Con la pinza da sughero, tagliare 6 pezzi uniformi di patata di dimensioni e superficie simili. Asciugare ogni pezzo con un tovagliolo di carta.
2. Pesare ogni pezzo di patata.
3. Effettuare diluizioni seriali da una soluzione di saccarosio 1M con acqua distillata. Utilizzare concentrazioni di 1.0, 0.8, 0.6, 0.4, 0.2 e 0.0M.
4. Aggiungere 10 cm³ di ogni soluzione di saccarosio in una provetta in ebollizione ed etichettare ogni provetta.
5. Aggiungere un pezzo di patata in ogni provetta, assicurandosi che ogni pezzo sia completamente immerso nella soluzione di saccarosio.
6. Porre le provette in un bagno d'acqua e lasciarle per 20 minuti.
7. Dopo 20 minuti, estrarre i pezzi di patata da ogni provetta in ebollizione. Utilizzare carta assorbente per eliminare la soluzione in eccesso da ogni pezzo di patata.
8. Pesare ogni pezzo di patata.
9. Calcolare la variazione percentuale della massa di ciascun pezzo di patata e della corrispondente soluzione di saccarosio.

La variazione percentuale della massa indica quali pezzi di patata hanno guadagnato o perso acqua a causa dell'osmosi. Dai dati registrati, possiamo creare una curva di calibrazione per calcolare il potenziale idrico dei pezzi di patata. Le curve di calibrazione vengono utilizzate per determinare una concentrazione incognita confrontandola con concentrazioni standard note (curve standard).

Per creare la curva di calibrazione, procedere come segue:

• Traccia su un grafico la variazione percentuale della massa (asse Y) rispetto alla concentrazione di saccarosio (asse X).
• Traccia la linea che meglio si adatta ai dati ottenuti.

Il punto in cui la retta di migliore adattamento incrocia l'asse X (intercetta X) indica il potenziale idrico dei pezzi di patata. A questo punto, non c'è alcuna variazione di massa perché la concentrazione di saccarosio è considerata isotonica rispetto al potenziale idrico all'interno dei pezzi di patata.