Osmoosi

Osmoosi on liuottimen diffuusiota puoliläpäisevän kalvon läpi. Osmoosissa liuotin (yleensä vesi) siirtyy kalvon läpi, mutta kalvo ei päästä läpi liuottimeen liuenneita aineita. Liuotin siirtyy sille puolelle, jolla liuenneen aineen pitoisuus on suurempi. Jos esimerkiksi puoliläpäisevä kalvo erottaa suolaisen veden ja vähemmän suolaisen veden oheisen kuvan osoittamalla tavalla, vettä siirtyy makeamman veden osasta suolaisen veden osan puolelle.
Diffuusion mallinnus.
Diffuusio-liikkeen suunta ja vauhti riippuvat
Yllä olevat tekijät yhdessä määrittävät kemiallisen potentiaaligradientin vedelle kalvon yli. Osmoosille pätee sama termodynaaminen sääntö kuin diffuusiollekin: veden liike on suuremmasta potentiaali(energia)tilasta pienempään.
Käytännössä määritellään vesipotentiaali (formula_1), joka saadaan jakamalla kemiallinen potentiaali (J mol-1) veden osittaisella molaarisella tilavuudella (1 mooli vettä vastaa formula_2 m3 mol-1.) Vesipotentiaali on periaatteessa sama asia, kuin veden Gibbsin vapaa energia per yksikkötilavuus, ja se mitataan J m-3 (= Pa).
Formaalisesti formula_3 (formula_1 on suhteellinen käsite. Se mitataan suhteessa puhtaaseen veteen merenpinnalla standardilämpötilassa ja paineessa) missä:
formula_9
missä cs on liuenneen aineen konsentraatio (mol dm-3), R kaasuvakio ja T absoluuttinen lämpötila. Jos kyseessä on hajoava aine, yhtälön oikea puoli kerrotaan hajoamisesta seuraavien hiukkasten määrällä (kerroin olisi esimerkiksi 2 NaCl:lle).
Osmoosi on siis veden liikettä suuremmasta vesipotentiaalista formula_12 pienempään potentiaaliin formula_13 (formula_14) puoliläpäisevän kalvon ylitse.
Osmoosi biologisissa järjestelmissä.
"Soluseinättömissä" soluissa solukalvon ylitse ei ole merkittävää paine- tai painovoimaeroa. Vesipotentiaaliero riippuu siis pelkästään formula_5:stä, joka puolestaan riippuu liuenneiden aineiden konsentraatioista. Esimerkiksi punasolut ovat herkkiä osmoottiselle veden liikkeelle. Isotonisessa liuoksessa solun ulkopuolinen konsentraatio vastaa solun sisäistä, jolloin punasolut ovat normaalissa kaarevassa muodossaan (kts. kuva).
Hypotonisessa liuoksessa solun sisällä on suurempi konsentraatio (formula_16, missä formula_17 on solunsisäinen ja formula_18 solun ulkopuolinen), jolloin formula_19 (eli solun sisällä on negatiivisempi formula_1, kuin sen ulkopuolella) ja vesi syöksyy soluun. Tämä johtaa solun pullistumiseen, joka voi johtaa jopa solun kokonaisvaltaiseen repeytymiseen. Tullessaan soluun vesi tasapainottaa konsentraatioeroja, ja solun paisuminen jatkuu, kunnes potentiaalit ovat yhtäsuuruiset. Hypertonisessa liuoksessa tilanne on päinvastainen ja vesi pakenee solusta. Välttääkseen mahdollisesti vahingolliset veden liikkeet, solut aktiivisesti pumppaavat ioneja solukalvon ylitse (mm. Na+, K+ ja Cl-) säädelläkseen konsentraatioeroja.
"Soluseinällisissä" soluissa hypotonisessa liuoksessa soluseinä vastustaa laajenemista johtaen paineeseen. Tämä johtaa formula_10 kasvuun, joka kasvaa, kunnes solunsisäinen formula_1 on sama, kuin solun ulkopuolinen. Hypertonisessa liuoksessa tilanne on päinvastainen: vesi poistuu solusta, kunnes formula_23. Vesi jatkaa poistumistaan, kunnes solun tilavuus on pienentynyt tarpeeksi, jotta formula_5 on tasapainottanut solunsisäisen formula_1:n vastaamaan solunulkopuolista. Tämä johtaa usein solukalvon kuoriutumiseen pois soluseinältä, eli plasmolyysiin. Myös soluseinälliset solut pumppaavat ioneja (pääasiassa H+) estääkseen radikaalit veden liikkeestä johtuvat muutokset.
Soluseinällisen solun kasvu vaatii myös soluseinän rakenteen löysentämistä. Solu laskee sisäistä formula_1 laskemalla formula_5:tä pumppaamalla sisään veteen liuenneita aineita. Tämä johtaa veden sisääntuloon, ja sitä kautta formula_10:n kasvuun (paineen kasvuun), joka työntää soluseinän uuteen laajempaan muotoon. Jotkut antibiootit heikentävät bakteereiden soluseiniä, pienentäen niiden kykyä sietää sisäistä painetta johtaen bakteerisolujen hajoamiseen.
Osmoottinen mekanismi.
Vesi pystyy ylittämään solukalvot ilman huomattavia ongelmia huolimatta veden pienestä rasvojen läpäisykyvystä. Solukalvoilla onkin niin kutsuttuja akvaporiini-proteiineja (engl. "aquaporins"), joiden rakenteessa on n. 400 nm suuruinen reikä, joka mahdollistaa veden liikkeen. Solu reguloi akvaporiineja fosforyloinnilla ja solunsisäisellä Ca2+:n konsentraatiolla. Nykytietämyksen mukaan osmoosi on yhdistelmä yksittäisten vesimolekyylien diffuusiota solukalvon lävitse, sekä suurten määrien liikettä avointen akvaporiinien läpi.
Osmoosi energiantuotannossa.
Statkraft Norjassa on rakentanut maailman ensimmäisen pilottiluonteisen osmoosivoimalaitoksen, jonka toiminta alkoi 24. marraskuuta 2009. Ensimmäinen täysikokoinen kaupallinen laitos voisi olla toiminnassa vuonna 2015. Osmoosivoimalaitos käyttää meriveden ja makean jokiveden välistä painetta uusiutuvana energianlähteenään.