3-Osmoz (pasif taşıma)

A –       PASİF TAŞIMA TİPLERİ

3-    Osmoz

Biyolojik sistemlerde başlıca çözücünün su olması nedeniyle, hücre zarından en çok diffüz eden molekül su olmaktadır. Su hem hücre içine doğru, hem de hücre dışına doğru daima diffüzyonla taşınır, hiçbir zaman aktif taşıma ile taşınmaz.

Bir alyuvar hücre zarından saniyede diffüz eden su miktarı, hücre hacminin yaklaşık olarak yüz katıdır. Böyle olmasına rağmen, normal şartlarda her iki yöne diffüz eden su miktarı çok iyi şekilde dengelendiğinden, hücre ne su girişine bağlı olarak şişip patlar, ne de aşırı miktarda su kaybederek çok fazla büzülür. Bununla birlikte belirli şartlar altında, bir zarın iki yanında, tıpkı diğer maddelerde olduğu gibi, su için de bir konsantrasyon farkı ortaya çıkabilir. Böyle bir durumda, hücre zarı boyunca, açık bir şekilde su hareketi meydana gelir. Bu harekete bağlı olarak, hücre şişer veya büzülür.

Suyun çok olduğu bölgeden (seyreltik çözelti ortamından) miktarının az olduğu bölgeye (derişik çözelti ortamına) bir zardan geçerek gitmesine osmos denir. Aslında osmos suyun zardan geçişini ifade eden diffüzyonun özel bir tipidir.  Suda çözünen fakat zardan geçemeyen her iyon veya molekül suyun kimyasal potansiyelini belirli miktarda değiştirir. Buna bağlı olarak suyun osmozu zardan geçemeyen iyonların/moleküllerin konsantrasyonu ile doğru orantılı olarak değişir. Fakat zardan geçemeyen iyonların valansları (değerlikleri) ve maddelerin molekül ağırlıkları suyun osmozunda etkili değildir. Örneğin molekül ağırlığı 70000 dalton olan bir albümin molekülünün osmotik etkisi ile molekül ağırlığı 180 dalton olan bir mol glukozun osmotik etkisi aynıdır. Aynı şekilde, iki değerli kalsiyum iyonunun osmotik etkisi ile bir değerli sodyum iyonunun osmotik etkisi de ayni olmaktadır. 

Bir çözeltinin belirli bir hacmindeki çözünen madde partiküllerinin sayısına bağlı olan fakat partiküllerin kütlesine bağlı olmayan donma noktası, kaynama noktası,  osmotik basıncı ve çözücüsünün buhar basıncı gibi özellikleri o çözeltinin kolligativ özelliklerini (colligative properties) oluşturur.  Bu özellikleri belirleyerek ve bunları saf çözücünün ilgili özellikleri ile karşılaştırarak çözeltideki mevcut çözünen madde moleküllerinin sayısını tayin etmek mümkündür. Kolligativ özellikler bir çözeltinin özelliklerinin çözeltideki çözünen madde konsantrasyonuna bağlı olarak nasıl değişeceğini gösterir. Sudaki çözünen madde partiküllerinin sayısındaki artış, osmotik basınçta ve çözeltinin kaynama noktasında artışa, buhar basıncı ve donma noktasında düşmeye yol açar. Bu şekilde birbiriyle ilişkili özelliklerden birisi bilinirse diğeri hesaplanabilir.   Osmoz faaliyetini aşağıda belirtilen şekilde şematize edebiliriz (Şekil 2).

 

osmos-guyton fizyolojisi

Şekil 2:Bir hücre zarında osmoz (Guyton’dan).

 

Burada zarın bir yanında aynı hacimde saf su, diğer yanında NaCl çözeltisi bulunsun. Zarın sadece suya karşı geçirgen olduğunu varsayalım. Yukarıda verilen şekilde saf suyun bulunduğu taraftaki su konsantrasyonu, NaCl çözeltisinin bulunduğu taraftakinden daha fazla olduğundan su, sodyum ve klor iyonlarının bulunduğu tarafa geçer. Suyun geçişi sınırsız değildir. Bir süre sonra suyun geçtiği tarafta oluşan basınç, onun daha fazla geçmesini önler. Osmozla suyun geçişini tam olarak önlemek için gerekli olan basınca çözeltinin osmotik basıncı denir. Bu basınç osmoz faaliyeti sonucu suyun geçtiği tarafta oluşur.  Osmotik basınç santimetre su veya mmHg olarak ifade edilir. Bu basıncın değeri zarla ayrılan iki çözeltinin konsantrasyonlarındaki farka bağlıdır.  Suya karşı geçirgen solütlere karşı geçirgen olmayan bir zarla ayrılmış iki çözeltideki osmotik basıncı şu şekilde şematize edebiliriz (Şekil 3).

 

osmatik basınç

Şekil 3: Seçici geçirgen bir zarın iki tarafındaki osmotik basınç (Guyton’dan).

 

Bir çözeltinin osmotik basıncı, çözeltideki partikül büyüklüğü veya tipine bağlı olmayıp, çözeltinin birim hacmindeki partikül sayısına bağlıdır. Bu nedenle, solütün iyonizasyon derecesi önemlidir. Bir solüsyonda molekül veya iyon halindeki partiküller tarafından ortaya çıkartılan osmotik basınç, sıvının birim hacmindeki partiküllerin kütlesi ile değil sayısı ile tayin edilir. Bunun nedeni, solusyondaki her partikülün kütlesine bakmaksızın, ortalama olarak, zara karşı aynı basıncı ortaya koymasıdır. Partiküllerin kütleleri, onların solusyon içindeki hareketlerinde etkili olur. Küçük partiküller solusyonda daha yüksek hızda hareket ederler.  

Elektrolitler,  suda her biri osmotik etkiye katkıda bulunan iki veya daha fazla partiküle ayrılırlar. Bu nedenle, elektrolit olanlar ile elektrolit olmayanların osmotik etkileri farklıdır. Solüsyonların ideal solusyon teorisinden sapmalarından dolayı her ne kadar gerçek osmotik değerleri az çok farklı ise de, glukozun 1 M solüsyonu ve CaCl2 ün 0,333 M solüsyonu teorik olarak aynı osmotik basınca sahiptir. İnsan dahil memelilerin çoğunun kan plazması yaklaşık olarak 0,3 osm (300mOsm) osmotik konsantrasyon veren solutler karışımıdır.

Osmotik basıncı aşağıdaki formülü kullanarak hesaplayabiliriz.

 


 

Burada;

p:Osmotik basıncı

R:İdeal gaz sabitesini

T:Mutlak sıcaklığı

i:Solütün çözünmesi sonucu oluşan iyon /molekül sayısını

C: Solütün osmotik  konsantrasyonunu (solüsyonun her litresindeki solüt molünü) ifade eder.

 

Bu eşitlik gerçek solüsyonların tam osmotik basıncını vermez.  Birçok maddenin stoplazma ve hücre dışı sıvıdaki konsantrasyonlarında farklılıklar vardır. Örneğin, sodyum iyonu hücre dışı sıvılarda başlıca katyon, klor iyonu ise başlıca anyondur. Sodyum iyonu yaklaşık olarak 150 mEQ/L, klor iyonu ise yaklaşık olarak 120 mEQ/L bulunur. Bu konsantrasyon sınırlarındaki NaCl çözeltisinin osmotik basıncı, yukarıda verilen formülle hesaplanan değerlerinden oldukça farklıdır. Gerçek solüsyonun osmotik basıncının yukarıda verilen formül ile beklenen değerden sapmasını düzeltmek için, osmotik koeffesient(katsayı) denilen bu düzeltme faktörü kullanılır. Bu durumda, yukarıda verilen formül şu şekli alır.

 

Düzeltme faktörü, birden büyük veya küçük olabilir. Fizyolojik öneme sahip elektrolitler için birden küçüktür ve tüm solütlerde solüsyon seyreldikçe bire yaklaşır. Osmotik koeffesient faktörünün değeri solütün konsantrasyonuna ve kimyasal özelliklerine bağlıdır (Tablo 1).

 

Tablo 1: Fizyolojik öneme sahip bazı solutlerin osmotik koeffesient değerleri (Berne ve Levy’den).

Madde

 

Molekül Ağırlığı

Ø

NaCl

2

58,5

0,93

KCl

2

74,6

0,92

HCl

2

36,6

0,95

NH4Cl

2

53,5

0,92

NaHCO3

2

84,0

0,96

NaNO3

2

85,0

0,90

KSCN

2

97,2

0,91

KH2PO4

2

136,0

0,87

CaCl2

3

111,0

0,86

MgCl2

3

95,2

0,89

Na2SO4

3

142,0

0,74

K2SO4

3

174,0

0,74

MgSO4

2

120,0

0,58

Glukoz

1

180,0

1,01

Sükroz

1

342,0

1,02

Maltoz

1

342,0

1,01

Laktoz

1

342,0

1,01

 

Bir solüsyonun osmotik basıncı, doğrudan doğruya suyun bir zardan solüsyona girmesini önlemek için gerekli basıncı belirleyerek tayin edilebilir. Fakat bu metot hem zaman alıcı hem de teknik olarak zordur. Bu nedenle çoğunlukla osmotik basınç, solüsyonun daha kolay tayin edilebilen ve birbirleriyle ilişkili olan donma noktasının düşürülmesi, buhar basıncının düşürülmesi gibi, kolligatif özelliklerinden yararlanılarak indirekt olarak hesaplanabilir.

 

Hücrelerin osmotik olarak şişme ve büzülmesi

Vücuttaki hücrelerin birçoğunun zarı, hücreler arası sıvıdaki maddelerinin bazılarına karşı geçirgen değildir, fakat suya karşı oldukça geçirgendir. Bu nedenle hücreler arası sıvının osmotik basıncı arttığı zaman, suyun daima yüksek osmotik basınçlı tarafa doğru gitmesinden dolayı,  su osmosla hücreyi terk eder ve hücre büzülür. Bu durumda hücre, plazmasındaki maddelerin konsantrasyonunu  stoplazmanın osmotik basıncı doku sıvısının osmotik basıncına eşit oluncaya kadar arttırır. Bunun aksine, eğer hücre dışı sıvının osmotik basıncı düşerse su hücreye girer ve hücre şişer. Hücrenin su girişi nedeniyle şişmesi hücre içi ve hücre dışı osmotik basınçlar eşitleninceye kadar devam eder.

Genel olarak bir çözeltinin osmotik konsantrasyonu dolayısıyla osmotik basıncı diğer bir çözeltininki ile karşılaştırılır. Bir zar ile ayrılmış olan iki çözeltide solut konsantrasyonları eşitse, bu iki çözeltinin osmotik konsantrasyonları dolayısıyla osmotik basınçları birbirine eşit olur. Osmotik basınçları aynı (eşit) olan çözeltilere izoosmotik çözeltiler denir. Buna karşılık osmotik basınçları eşit olmayan iki çözeltiden,  osmotik basıncı yüksek olana Hiperosmotik çözelti,  osmotik basıncı düşük olana da Hipoosmotik çözelti denir. Hücrelerin osmotik özelliklerini göstermede kolay elde edilebilmelerinden dolayı çoğunlukla alyuvarlar kullanılır. Bu hücreler osmotik basıncı ölçen alet yani osmometre gibi iş görürler. Hücre plazması ile aynı osmotik basınca sahip olan çözeltilere izotonik çözeltiler, sıvılara da izotonik sıvılar denir.

          İzotonik ortama konulan hücreye ayni oranda su giriş çıkışı olduğundan, hücrede şişme veya büzülme ortaya çıkmaz. Vücut hücrelerini çeviren sıvılar izotoniktir.  İnsandaki normal vücut sıvısı da % 0,9’ luk NaCl veya % 5 lik glukoz ile izotoniktir. Hücre plazmasına göre daha az madde fakat daha fazla su içeren çözeltilere hipotonik çözeltiler, sıvılara da hipotonik sıvılar denir. Hipotonik sıvılar hücrelerde şişmeye neden olurlar.  Örneğin bir alyuvar hücresi stoplazmasına göre hipotonik olan distile suya konulursa,  kendisine osmozla suyun girmesinden dolayı şişer ve patlar.  Hücre plazmasına göre daha çok madde buna karşılık daha az su içeren çözeltilere hipertonik çözeltiler sıvılara da hipertonik sıvılar denir. Hipertonik sıvılar hücrelerde büzülmeye neden olurlar. Örneğin bir alyuvar hücresi stoplazmasına göre hipertonik olan %20 tuz içeren bir ortama konulursa osmosla suyun hücreden çıkmasından dolayı büzülür.

Çok hücreli canlılarda her vücut hücresi daima bir sıvı ortamda bulunur. Bu durum hücrenin devamlı olarak çevresi ile madde alış-verişi yapmasında önemli rol oynar. Hücre çevresi ile devamlı olarak madde alış-verişi yaptığı halde kendisine öz hacmi çok büyük bir değişiklik göstermez. Hücre hacmi, sadece hücre dışı sıvıdaki zardan geçemeyen iyon/moleküllerin konsantrasyonu ile belirlenir. Zardan geçebilen partiküller hücre hacminde sadece geçici değişiklikler yaparlar. Bir zar boyunca suyun osmotik akışı bu zarın iki yanındaki solüsyonların osmotik basınç farkı ile doğru orantılıdır. Bir solütün permiabilitesi arttıkça onun sebep olduğu osmotik basınç düşer. Solüt molekülü büyüdükçe zardan geçebilirliği düşer, böylece suyun daha büyük osmotik akışına sebep olur.

 

Osmol – Osmolalite – Osmolarite

Bir çözeltinin su miktarı içindeki solut partiküllerinin sayısına, osmotik basıncı ise osmotik olarak aktif solut partiküllerinin miktarına bağlıdır. Bir maddenin osmotik olarak aktif partiküllerinin miktarı osmol ile ifade edilir. Osmol;  çözünmemiş bir maddenin bir mol gramındaki osmotik olarak aktif partikül sayısıdır.  Buna göre elektrolit olmayan bir maddenin her mol gramı bir osmole eşittir. Örnek verilecek olursa glukozun her molgramı(180 gr)  bir osmole eşittir. Diğer yandan NaCl’ün bir mol gramı iki osmole eşittir. Çünkü bir mol gram NaCl (58,5 gr) çözündüğü zaman osmotik olarak aktif iki partiküle ( Na+ ve Cliyonlarına)  ayrılır.

Biyolojide osmolnkonsantrasyonlar osmol/kilogram su veya osmol/litre olacak şekilde osmolarite veya osmolalite ile ifade edilir. Osmolalite bir kilogram çözeltideki  osmotik olarak aktif partiküllerin toplam  sayısını, osmolarite ise bir litre çözeltideki osmotik olarak aktif partiküllerin toplam  sayısını ifade eder. Buna göre litresinde bir mol glukoz içeren çözeltinin osmolaritesi bir osmol, litresinde bir mol NaCl içeren çözeltinin osmolaritesi iki osmol, litresinde bir mol glukoz ve bir mol NaCl içeren bir solusyonun osmolaritesi üç osmoldür.   Osmolarite çözeltideki çeşitli solutlerin hacimleri  ve sıcaklıkla etkilendiği halde, osmolalite etkilenmez.

Osmol konsantrasyonları ifadede genellikle osmolalite daha çok tercih edilir.  Bununla birlikte normal insan vücudunun çok seyreltik solüsyonlarında farklılıklar önemsenmeyecek kadar az olduğundan her iki terim birbirinin yerine kullanılır.  Ayrıca vücut sıvı miktarlarını litre olarak ifade etmek kilogram olarak ifade etmekten daha kolay olduğundan yaklaşık olarak tüm hesaplamalar osmolalitelerden çok osmolaritelere dayanır. Bir solüsyonun vücut sıcaklığındaki (37°C)   yaklaşık osmotik basıncı aşağıdaki formülden hesaplanabilir.

 

Osmotik basınç = 19,3. Osmolalite

(mmHg)                     (miliosmol/Kg)

 

(Bir kilogram suda 1/1000 osmol çözünmüş solüt içeren solüsyonun osmolalitesi bir miliosmoldür). Hücre içi ve hücre dışı sıvıların normal osmolalitesi yaklaşık olarak 300 miliosmol/kg dır. Normal insan vücut sıcaklığında (37°C) litrede bir osmollük bir konsantrasyon, solüsyonda 19300 mmHg’ lık osmotik basınca neden olur. Bu basınç değerinin vücut sıvılarının 300 miliosmollük konsantrasyonu ile çarpılması, bu sıvıların hesapla bulunan 5790 mmHg’ lık toplam osmotik basıncını verir. Fakat ölçülen toplam ortalama basınç değeri 5500 mmHg’ dır. Bu iki değer arasındaki farkın nedeni, vücut sıvılarındaki iyonların birçoğunun, örneğin sodyum ve klor iyonlarının,   birbirini çekmesi, bu nedenle sıvılarda sınırsız olarak hareket edememeleri ve kendi osmotik potansiyellerini tam olarak meydana getirememeleridir. Bu nedenle ortalama olarak vücut sıvılarının gerçek osmotik basıncı, hesaplanan osmotik basınç değerinin yaklaşık olarak 0,93’dür. Osmotik basınç, hücre veya vücut hacmi ile ters orantılıdır. Aşağıdaki tabloda osmotik olarak aktif olan maddeler listelenmiştir (Tablo 2).

 

Tablo 2:Hücre dışı ve içi sıvılardaki osmotik olarak aktif maddeler (Guyton’dan).

 

Plazma

mOsm/L/H2O

Hücre Dışı

mOsm/L/H2O

Hücre İçi

mOsm/L/H2O

Na+

143

140

14

K+

4,2

4,0

140

Ca++

1,3

1,2

0,0

Mg++

0,8

0,7

20,0

Cl

108

108

4,0

HCO3

24,0

28,3

10,0

HPO4,H2PO4

2,0

2,0

11,0

SO4

0,5

0,5

1,0

Fosfokreatin

Kreatin

0,2

0,2

9,0

Aminoasit

2,0

2,0

8,0

Laktat

1,2

1,2

5,0

ATP

5,0

Heksozmonofosfat

3,7

Glukoz

5,6

5,6

4,0

Protein

1,2

0,2

4,0

Üre

4,0

4,0

4,0

Diğerleri

4,8

3,9

25,0

Düzeltilmiş osmolar aktivite (mOsm/L)

 

282,5

 

281,3

 

281,3

37°C’de toplam osmotik basınç (mmHg)

 

5450

 

5430

 

5430

 

 

Hücre dışı sıvılardan doku sıvısındaki ve plazmadaki toplam osmolalitinin yaklaşık olarak %80’i sodyum ve klor iyonları tarafından meydana getirilir.  Buna karşılık hücre içi osmolalitinin yaklaşık olarak yarısı potasyum tarafından, geri kalan kısmı hücre içindeki diğer birçok madde tarafından ortaya meydana getirilir. Tablo-2 da belirtildiği gibi, üç kompartmanın her birinin toplam osmolalitesi plazmada 1,2 miliosmol fazla olmasına rağmen, yaklaşık olarak 300 mOsm/lit. dir. Plazma ve doku sıvısı arasındaki bu çok küçük fark, plazma proteinlerinin osmotik etkisinden ortaya çıkar. Plazma proteinleri kılcallarda, kendilerini kuşatan doku sıvısına göre biraz daha fazla ( yaklaşık olarak 20 mmHg) bir basıncın devamında rol oynarlar.

Suyun osmozla hücre zarından geçişi çok hızlı olduğundan, belirli bir dokuda iki sıvı kompartman arasındaki bir osmotik dengesizlik birkaç saniyede veya en çok bir veya birkaç dakikada düzeltilir. Fakat bu ifade bu kadar kısa bir süre için tüm vücuttaki hücre içi ve hücre dışı kompartmanlar arasında tam bir dengenin ortaya çıkacağını ifade etmez. Bunun nedeni, sıvının çoğunlukla vücuda bağırsak yoluyla girmesi ve daha sonra tam dengelenme olmadan kanla tüm dokulara dağılmasıdır. Normal bir kimsede su içtikten sonra vücudun her yerinde makul bir dengeye ulaşmak için 30 dakika gibi uzun bir süre geçer.

Bu yazının kalıcı bağlantısı http://biyolojidersim.com/3-osmoz-pasif-tasima/

Bir Cevap Yazın

Your email address will not be published.