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Articulo de referencia

Ósmosis

El proceso de ósmosis a través de una membrana semipermeable . Los puntos azules representan las partículas que impulsan el gradiente osmótico. La ósmosis ( / ɒ z ˈ m oʊ s ɪ s /...

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El proceso de ósmosis a través de una membrana semipermeable . Los puntos azules representan las partículas que impulsan el gradiente osmótico.

La ósmosis ( / ɒ z ˈ m oʊ s ɪ s / , también en EE. UU. / ɒ s -/ ) [ 1 ] es el movimiento neto espontáneo de moléculas de disolvente a través de una membrana selectivamente permeable desde una región de alto potencial hídrico (región de menor concentración de soluto ) a una región de bajo potencial hídrico (región de mayor concentración de soluto), [ 2 ] en la dirección que tiende a igualar las concentraciones de soluto en ambos lados. [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] También puede usarse para describir un proceso físico en el que cualquier disolvente se mueve a través de una membrana selectivamente permeable (permeable al disolvente, pero no al soluto) que separa dos soluciones de diferentes concentraciones. [ 6 ] [ 7 ] La ósmosis puede hacerse realizar trabajo . [ 8 ] La presión osmótica se define como la presión externa necesaria para impedir el movimiento neto del disolvente a través de la membrana. La presión osmótica es una propiedad coligativa , lo que significa que depende de la concentración molar del soluto, pero no de su identidad. El transporte osmótico se produce mediante el flujo viscoso del disolvente bajo un gradiente de presión. [ 9 ] [ 10 ]

La ósmosis es un proceso vital en los sistemas biológicos , ya que las membranas biológicas son semipermeables. En general, estas membranas son impermeables a moléculas grandes y polares , como iones , proteínas y polisacáridos , mientras que son permeables a moléculas no polares o hidrofóbicas como los lípidos , así como a moléculas pequeñas como oxígeno, dióxido de carbono, nitrógeno y óxido nítrico. La permeabilidad depende de la solubilidad, la carga o la química, así como del tamaño del soluto. Las moléculas de agua viajan a través de la membrana plasmática, la membrana del tonoplasto (vacuola) o las membranas de los orgánulos a través de la bicapa de fosfolípidos mediante acuaporinas a través de un mecanismo de flujo selectivo de poros. [ 11 ] La ósmosis proporciona el medio principal por el cual el agua es transportada dentro y fuera de las células . La presión de turgencia de una célula se mantiene en gran medida por la ósmosis a través de la membrana celular entre el interior de la célula y su entorno relativamente hipotónico.

Historia

El " endosmómetro " inventado por Dutrochet

Se han observado algunos tipos de flujo osmótico desde la antigüedad, por ejemplo, en la construcción de las pirámides egipcias. [ 12 ] Jean-Antoine Nollet documentó por primera vez la observación de la ósmosis en 1748. [ 13 ] [ a ] ​​La palabra "ósmosis" desciende de las palabras "endosmosis" y "exosmosis", que fueron acuñadas por el médico francés René Joachim Henri Dutrochet (1776-1847) a partir de las palabras griegas ἔνδον ( éndon "dentro"), ἔξω ( éxō "fuera, externo") y ὠσμός ( ōsmós "empuje, impulsión"). [ n 1 ] En 1867, Moritz Traube inventó membranas de precipitación altamente selectivas, lo que impulsó el arte y la técnica de medición del flujo osmótico. [ 12 ]

Descripción

La ósmosis es el movimiento de un disolvente a través de una membrana semipermeable hacia una mayor concentración de soluto. En los sistemas biológicos, el disolvente suele ser agua, pero la ósmosis puede ocurrir en otros líquidos, líquidos supercríticos e incluso gases. [ 14 ] [ 15 ]

Cuando una célula se sumerge en agua , las moléculas de agua atraviesan la membrana celular desde una zona de baja concentración de solutos a una de alta concentración. Por ejemplo, si la célula se sumerge en agua salada , las moléculas de agua salen de la célula. Si se sumerge en agua dulce , las moléculas de agua entran en la célula.

Agua que atraviesa una membrana semipermeable

Cuando la membrana tiene un volumen de agua pura a ambos lados, las moléculas de agua entran y salen en cada dirección exactamente al mismo ritmo. No hay flujo neto de agua a través de la membrana.

Las pasas se hinchan debido a la ósmosis cuando se mantienen bajo el agua.

La ósmosis se puede demostrar al introducir rodajas de patata en una solución con alta concentración de sal. El agua del interior de la patata se desplaza hacia la solución, provocando que esta se encoja y pierda su turgencia . Cuanto más concentrada esté la solución salina, mayor será la pérdida de tamaño y peso de la rodaja de patata.

Los jardines químicos demuestran el efecto de la ósmosis en la química inorgánica.

Mecanismo

El mecanismo responsable de la ósmosis podría interpretarse erróneamente como la dilución del agua por el soluto (lo que resultaría en una menor concentración de agua en el lado de la membrana con mayor concentración de soluto y, por lo tanto, en una difusión del agua a lo largo de un gradiente de concentración) o como la atracción del soluto hacia el agua (lo que resultaría en una menor cantidad de agua libre en el lado de la membrana con mayor concentración de soluto y, por lo tanto, en un movimiento neto del agua hacia el soluto). Ambas ideas han sido refutadas de manera concluyente.

El modelo de difusión de la ósmosis se vuelve insostenible debido a que la ósmosis puede impulsar el agua a través de una membrana hacia una mayor concentración de agua. [ 16 ] El modelo de " agua ligada " se refuta debido a que la ósmosis es independiente del tamaño de las moléculas de soluto —una propiedad coligativa [ 17 ] — o de cuán hidrófilas son.

Es difícil describir la ósmosis sin una explicación mecánica o termodinámica , pero esencialmente existe una interacción entre el soluto y el agua que contrarresta la presión que ejercerían las moléculas de soluto libres. Cabe destacar que el calor del entorno puede convertirse en energía mecánica (el agua asciende). Por lo tanto, el transporte osmótico del disolvente es un proceso impulsado por la presión, en lugar de una difusión molecular aleatoria.

Numerosas explicaciones termodinámicas abordan el concepto de potencial químico y cómo la función del agua en la disolución difiere de la del agua pura debido a la mayor presión y a la presencia del soluto, que contrarresta esta acción, de modo que el potencial químico permanece inalterado. El teorema del virial demuestra que la atracción entre las moléculas (agua y soluto) reduce la presión, por lo que la presión ejercida entre las moléculas de agua en disolución es menor que en agua pura, lo que permite que el agua pura "force" la disolución hasta que la presión alcance el equilibrio . [ 17 ]

Función en los seres vivos

Efecto de diferentes soluciones sobre las células sanguíneas
Micrografías de la presión osmótica sobre los glóbulos rojos (GR).
Célula vegetal en diferentes entornos.

La presión osmótica es el principal agente de soporte en muchas plantas. La entrada osmótica de agua aumenta la presión de turgencia ejercida contra la pared celular hasta que se iguala a la presión osmótica, creando un estado de equilibrio . [ 18 ]

Cuando una célula vegetal se coloca en una solución hipertónica con respecto al citoplasma, el agua sale de la célula y esta se encoge. Al hacerlo, la célula se vuelve flácida . En casos extremos, la célula se plasmoliza : la membrana celular se separa de la pared celular debido a la falta de presión de agua sobre ella. [ 19 ]

Cuando una célula vegetal se coloca en una solución hipotónica con respecto al citoplasma, el agua se mueve hacia el interior de la célula y esta se hincha hasta volverse turgente . [ 18 ]

La ósmosis también desempeña un papel vital en las células humanas al facilitar el movimiento del agua a través de las membranas celulares. Este proceso es crucial para mantener una hidratación celular adecuada, ya que las células pueden ser sensibles a la deshidratación o la sobrehidratación. En las células humanas, la ósmosis es esencial para mantener el equilibrio entre el agua y los solutos, lo que garantiza una función celular óptima. Los desequilibrios en la presión osmótica pueden provocar disfunción celular, lo que subraya la importancia de la ósmosis para mantener la salud e integridad de las células humanas.

En ciertos entornos, la ósmosis puede ser perjudicial para los organismos. Los peces de acuario de agua dulce y salada , por ejemplo, morirán rápidamente si se colocan en agua con una salinidad inadecuada . El efecto osmótico de la sal de mesa para matar sanguijuelas y babosas es otro ejemplo de cómo la ósmosis puede dañar a los organismos. [ 19 ]

Supongamos que una célula animal o vegetal se coloca en una solución de azúcar o sal en agua.

  • Si el medio es hipotónico en relación con el citoplasma celular , la célula ganará agua por ósmosis.
  • Si el medio es isotónico , no habrá movimiento neto de agua a través de la membrana celular.
  • Si el medio es hipertónico en relación con el citoplasma celular, la célula perderá agua por ósmosis.

Esto significa que si una célula se coloca en una solución con una concentración de soluto superior a la suya, se encogerá, y si se coloca en una solución con una concentración de soluto inferior a la suya, la célula se hinchará e incluso podría reventar.

Factores

Presión osmótica

La ósmosis puede contrarrestarse aumentando la presión en la región de alta concentración de soluto con respecto a la de la región de baja concentración. La fuerza por unidad de área, o presión, necesaria para impedir el paso del agua (o cualquier otra solución de alta liquidez ) a través de una membrana semipermeable hacia una solución de mayor concentración es equivalente a la presión osmótica de la solución , o turgencia . La presión osmótica es una propiedad coligativa , lo que significa que depende de la concentración del soluto, pero no de su composición o identidad química.

Gradiente osmótico

El gradiente osmótico es la diferencia de concentración entre dos soluciones situadas a ambos lados de una membrana semipermeable , y se utiliza para determinar la diferencia porcentual de la concentración de una partícula específica disuelta en una solución.

Generalmente, se utiliza el gradiente osmótico para comparar soluciones separadas por una membrana semipermeable que permite la difusión del agua entre ambas, hacia la solución hipertónica (la de mayor concentración). Con el tiempo, la fuerza de la columna de agua sobre el lado hipertónico de la membrana semipermeable se igualará a la fuerza de difusión sobre el lado hipotónico (el de menor concentración), alcanzando así el equilibrio. Una vez alcanzado el equilibrio, el agua continúa fluyendo en ambas direcciones con igual cantidad y fuerza, estabilizando así la solución.

Variación

Ósmosis inversa

La ósmosis inversa es un proceso de separación que utiliza presión para forzar el paso de un disolvente a través de una membrana semipermeable que retiene el soluto en un lado y permite el paso del disolvente puro al otro, forzándolo desde una región de alta concentración de soluto a través de la membrana hacia una región de baja concentración de soluto mediante la aplicación de una presión superior a la presión osmótica . Este proceso es conocido principalmente por su papel en la conversión de agua de mar en agua potable, al eliminar la sal y otras sustancias indeseadas de las moléculas de agua. [ 20 ]

Ósmosis directa

La ósmosis puede utilizarse directamente para separar el agua de una solución que contiene solutos no deseados. Se emplea una solución de arrastre con una presión osmótica mayor que la de la solución de alimentación para inducir un flujo neto de agua a través de una membrana semipermeable, de modo que la solución de alimentación se concentra a medida que la solución de arrastre se diluye. La solución de arrastre diluida puede utilizarse directamente (como con un soluto ingerible como la glucosa) o enviarse a un proceso de separación secundario para eliminar el soluto de arrastre. Esta separación secundaria puede ser más eficiente que un proceso de ósmosis inversa por sí solo, dependiendo del soluto de arrastre utilizado y del agua de alimentación tratada. La ósmosis directa es un área de investigación en curso, centrada en aplicaciones en desalinización , purificación de agua , tratamiento de agua , procesamiento de alimentos y otras áreas de estudio.

Desarrollos futuros en ósmosis

Los avances futuros en ósmosis y su investigación son prometedores para diversas aplicaciones. Los investigadores exploran materiales avanzados para procesos osmóticos más eficientes, lo que conduce a tecnologías mejoradas de desalinización y purificación de agua. Además, la integración de la generación de energía osmótica, donde se aprovecha la diferencia de presión osmótica entre el agua salada y el agua dulce, representa una fuente de energía sostenible y renovable con un potencial significativo. Asimismo, el campo de la investigación médica busca sistemas innovadores de administración de fármacos que utilicen principios osmóticos, ofreciendo una administración precisa y controlada de medicamentos dentro del cuerpo. A medida que la tecnología y el conocimiento en este campo continúan evolucionando, se espera que las aplicaciones de la ósmosis se expandan, abordando diversos desafíos globales en sostenibilidad hídrica, generación de energía y atención médica. [ 21 ]

Véase también

Notas

  1. ↑ Histoire de l'Académie Royale des Sciences Année 1748 , publicada en 1752, contiene una versión condensada del artículo de Nollet en las páginas 10-19.
    Texto original : Avant que de finir ce Mémoire, je crois devoir rendre compte d'un fait que je dois au hasard, & qui me parut d'abord... singulier... j'en avois rempli une fiole cylindrique, longue de cinq pouces, & d'un pouce de diamètre ou environ; & l'ayant couverte d'un morceau de vessie mouillée & ficelée au col du vaisseau, je l'avois plongée dans un grand vase plein d'eau, afin d'être sûr qu'il ne rentrât aucun air dans l'esprit de vin. Au bout de cinq ou six heures, je fus tout sorpres de ver que la fiole étoit plus pleine qu'au moment de son immersion, quoiqu'elle le fût alors autant que ses bords pouvoient le permettre; la vessie qui lui servoit de bouchon, étoit devenue convexe & si tendue, qu'en la picante avec une épingle, il en sortit un jet de liqueur qui s'éleva à plus d'un pied de hauteur.
    Traducción : Antes de terminar estas memorias, creo que debería relatar un suceso que se debió al azar y que al principio me pareció… extraño… Llené [con alcohol] un vial cilíndrico de cinco pulgadas de largo y aproximadamente una pulgada de diámetro; y [después de] haberlo cubierto con un trozo de vejiga húmeda [que estaba] atada al cuello del vial, lo sumergí en un gran recipiente lleno de agua, para asegurarme de que no volviera a entrar aire en el alcohol. Al cabo de 5 o 6 horas, me sorprendió mucho ver que el vial estaba más lleno que en el momento de su inmersión, aunque [se había llenado] hasta donde sus lados lo permitían; la vejiga que servía de tapa, se abultó y se estiró tanto que al pincharla con una aguja, salió de ella un chorro de alcohol que se elevó a más de un pie de altura.
  1. ↑ Etimología de "ósmosis" :
    • Henri Dutrochet, L'Agent Immédiat du Movement Vital Dévoilé dans sa Nature et dans son Mode d'Action chez les Végétaux et chez les Animaux [El agente inmediato del movimiento vivo, su naturaleza y modo de acción revelados en plantas y animales] (París, Francia: Dentu, 1826), págs. 115 y 126.
    • El término intermedio «ósmosis» y el término «osmótico» fueron acuñados por el químico escocés Thomas Graham . Véase: Thomas Graham (1854) «VII. La conferencia Bakeriana: sobre la fuerza osmótica», Philosophical Transactions of the Royal Society (Londres) , vol. 144, pp. 177-288; véanse especialmente las pp. 177, 178 y 227. Véase también: Thomas Graham y Henry Watts , Elements of Chemistry: Including the Applications of the Sciences in the Arts , 2.ª ed. (Londres, Inglaterra: Hippolyte Bailliere, 1858), vol. 2, p. 616 .
    • La palabra "ósmosis" apareció por primera vez en: Jabez Hogg , The Microscope: Its History, Construction, and Application... , 6.ª ed. (Londres, Inglaterra: George Routledge and Sons, 1867), pág. 226 .
    • La etimología de la palabra "ósmosis" se analiza en: Homer W. Smith (1960). "I. Teoría de las soluciones: Un conocimiento de las leyes de las soluciones" . Circulation . 21 (5): 808–817 (810). doi : 10.1161/01.CIR.21.5.808 . PMID 13831991 . 

Referencias

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  2. ↑ "Ósmosis | Apuntes de nivel avanzado" .
  3. ↑ "Ósmosis" . Oxford English Dictionary ( edición en línea). Oxford University Press. (Se requiere suscripción o pertenencia a una institución participante ).
  4. ↑ Ósmosis , Enciclopedia Británica en línea
  5. ↑ Haynie, Donald T. (2001). Termodinámica biológica . Cambridge: Cambridge University Press. pp. 130–136 . ISBN  978-0-521-79549-4.
  6. ↑ Waugh, A.; Grant, A. (2007). Anatomía y fisiología en la salud y la enfermedad . Edimburgo: Elsevier. págs. 25–26 . ISBN  978-0-443-10101-4.
  7. ↑ Ósmosis. Archivado el 22 de febrero de 2008 en Wayback Machine . Universidad de Hamburgo. Última modificación: 31 de julio de 2003.
  8. ↑ "Statkraft construirá el primer prototipo de central eléctrica osmótica del mundo" . Statkraft . 3 de octubre de 2007. Archivado del original el 27 de febrero de 2009.
  9. ↑ Mauro, A. (1957). "Naturaleza de la transferencia de solventes en la ósmosis". Science . 126 (3267): 252– 253. Bibcode : 1957Sci...126..252M . doi : 10.1126/science.126.3267.252 . PMID 13454805 . 
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