Osmose er diffusjon av vann
Osmose er diffusjon av vannmolekyler gjennom en halvgjennomtrengelig membran, der vannmolekylene beveger seg fra et sted med høy konsentrasjon av vann til et sted der konsentrasjonen av vann er lavere.
Passiv transport av vann sørger for at cellene kan regulere vannbalansen uten at det kreves bruk av energi. Dette er helt sentralt for at cellene skal kunne opprettholde et stabilt indre miljø.
Osmolaritet – mengden stoff løst i vann
Vann er et polart molekyl med ladninger som virker på molekyler og ioner i nærheten. Dette gjør at vann har evnen til å løse opp andre polare stoffer, for eksempel salter. Når et salt blandes i vann, vil vannmolekylene trekke ionene i saltet fra hverandre og omringe dem. Vi har da frie ioner i vannløsningen, og vi sier at stoffet er blitt løst i vann.
Når vannmolekyler omringer ioner fra stoffer som løses i vann, er ikke disse vannmolekylene frie i løsningen lenger. Konsentrasjonen av frie vannmolekyler i løsningen vil da synke, samtidig som konsentrasjonen av ioner fra det oppløste stoffet øker.
Mengden oppløst stoff i vann angis som osmolariteten av stoffet. Jo høyere osmolaritet, jo lavere er konsentrasjonen av vann. Hvis det er konsentrasjonsforskjell mellom innsiden og utsiden av en membran, vil de frie vannmolekylene bevege seg i retningen med høyest osmolaritet. Det betyr at vannmolekylene vil diffundere motsatt av diffusjonsretningen til det oppløste stoffet, der det oppløste stoffet ikke kan passere membranen.
Vanntransport over cellemembranen – direkte og fasilitert diffusjon
Vannmolekylene er så små at de kan passere mellom fosfolipidene i cellemembranen selv om de er polare. Dette skyldes svake kjemiske bindinger mellom fosfolipidene. Vann transporteres derfor passivt gjennom cellemembranen ved osmose. Dette er en relativt langsom transport.
For å kunne regulere rask og effektiv vanntransport kreves spesielle kanalproteiner kalt akvaporiner.
Akvaporiner – transportproteiner for vann
Antall akvaporiner varierer fra celletype til celletype, men kan også variere internt i en celle fordi proteinkanaler brytes ned og bygges opp etter behov. Åpning og lukking av kanalene blir styrt av ulike signaler i cellen og fra cellens ytre omgivelser. Det finnes flere typer akvaporiner både hos bakterier, planter og dyr.
Akvaporiner er spesielt viktige for epitelcellene i nyrene, hvor de bidrar i regulering av mengden urin. Åpning og lukking av kanalene styres av hormonet ADH (antidiuretisk hormon).
Vannbalanse i celler
Miljøet utenfor cellen er i stadig endring. Diffusjon av for mye vann over cellemembranen kan føre til at cellen tar opp så mye vann at den sprekker, eller at den avgir for mye vann og krymper.
For å opprettholde et stabilt indre miljø må cellen tilpasse transporten av ioner over membranen slik at osmolariteten i cellen og miljøet utenfor er lik. Dette vil hindre store endringer i cellevolum.
Dyreceller har ikke en ytre cellevegg som kan motvirke et økt indre trykk og endringer i cellevolum. Transport av vann inn i eller ut av cellen kan derfor få store konsekvenser for dyreceller. Dyr har av den grunn utviklet egne organer som sørger for å opprettholde stabil osmolaritet i væsken som omgir cellene, slik at den er lik osmolariteten inne i cellen. Dette kalles osmoregulering.
Eksempler på osmoregulering hos ulike organismer
Menneskekroppen – osmoregulering i blod
Under normale omstendigheter er blodplasmaet, væsken som omslutter de røde blodcellene i blodet, isotonisk med cytoplasmaet i de røde blodcellene. Hvis osmolariteten i blodplasmaet øker, vil vann trenge ut av blodcellene slik at cellene krymper og dør.
Osmoregulering hos vannlevende dyr
Fisker som lever i ferskvann, har høyere osmolaritet enn omgivelsene og får i seg mye vann, blant annet ved osmose gjennom gjellene. De må derfor kvitte seg med store mengder vann og tar aktivt opp salter for å kontrollere vannbalansen.
Saltvannsfisker har det motsatte problemet fordi saltkonsentrasjonen i omgivelsene er større enn i cellene. Det vil si at de lever i et hypertonisk miljø og derfor må skille ut salt.
Vannopptak hos planter
Planter kan bare ta opp vann gjennom røttene. Dette skjer passivt ved osmose fordi plantene aktivt tar opp mineraler som de lagrer i røttene. Dette øker osmolariteten i rotcellene slik at vann diffunderer inn.
Osmoregulering hos ciliater og amøber
Ciliater og amøber er encellede organismer som lever i ferskvann, det vil si et hypotonisk miljø. Osmolariteten i ferskvann er mye lavere enn inne i cellen. Ciliater og amøber har derfor utviklet pulserende vakuoler som gjør at de kan pumpe ut overflødig vann.