Osmose is een gerichte stroom van moleculaire deeltjes door een semipermeabel membraan. In de biologie staat het centraal in de regulering van water evenwicht in cellen.
Wat is osmose?
Osmose is een gerichte stroom van moleculaire deeltjes door een semipermeabel membraan. In de biologie staat het centraal in de regulering van water evenwicht in cellen. Osmose betekent in het Grieks "penetratie". Het wordt beschreven als spontane doorgang voor oplosmiddelen zoals water door een selectief permeabel membraan. Het membraan is alleen permeabel voor het oplosmiddel, maar niet voor de opgeloste stof. De selectieve diffusie van slechts één component resulteert in een vereffening van de chemische potentiaal aan beide zijden van het membraan. Osmose komt veel voor in de natuur. Vooral in biologische membranen, selectief massa overdracht is noodzakelijk om biologische transportprocessen te laten plaatsvinden. Maar ook hier zorgen actieve, energieverslindende transportprocessen ervoor dat de passief ontwikkelende osmotische druk niet destructief is voor de cel. Hoewel er bij normale diffusieprocessen geen omkering mogelijk is, is osmose een omkeerbaar proces.
Functie en taak
Bij osmose, moleculen van een oplossing of zuiver oplosmiddel diffunderen selectief door een membraan totdat de chemische potentiaal aan beide zijden van dat membraan in evenwicht is. Een geconcentreerde oplossing wordt bijvoorbeeld aan de andere kant verdund door het oplosmiddel totdat de opgebouwde hydrostatische druk verdere diffusie verhindert. Moleculen kunnen door het membraan migreren, ongeacht van welke kant ze komen. Het is echter altijd waarschijnlijker dat ze diffunderen in de richting van het grootste potentiaalverschil. Wanneer het chemische potentieel in evenwicht is, migreert hetzelfde aantal deeltjes van links naar rechts als van rechts naar links. Extern verandert er dus niets. Door de gewenste verdunning van de geconcentreerde oplossing heeft zich echter aan één kant een grotere hoeveelheid vloeistof verzameld, waardoor een hoge druk (de osmotische druk) is opgebouwd. Als het membraan de druk niet meer kan weerstaan, kan de cel worden vernietigd. Actieve transportprocessen door het membraan zorgen ervoor dat bepaalde stoffen met energieverbruik worden afgevoerd. Een illustratief voorbeeld van een osmotisch proces is het opzwellen van rijpe kersen als er water aan wordt toegevoegd. Bij dit proces dringt het water door de buitenkant huid van de vrucht, terwijl de suiker kan niet ontsnappen. Het verdunningsproces in het fruit gaat door totdat het barst. In het lichaam zorgt de combinatie van osmotische en actieve energieverslindende transportprocessen voor een soepele werking lopend van biochemische processen in ruimtes gescheiden door biomembranen. Er kunnen dus cellen bestaan die gescheiden zijn van de externe omgeving, maar ermee in constante metabolische uitwisseling zijn. Er zijn ook organellen in de cel waar afzonderlijke reacties kunnen plaatsvinden. Om te voorkomen dat de osmotische druk toeneemt tot het punt waarop biomembranen scheuren, moleculen worden verdreven door actieve transportprocessen. In zoogdiercellen wordt het eiwit NFAT5 in toenemende mate geproduceerd wanneer de osmotische druk toeneemt. Het biedt een aantal tegenmechanismen om de cel tegen hypertoon te beschermen spanning (overdruk). In dit proces transport eiwitten worden geproduceerd die, met het verbruik van energie, bepaalde stoffen uit de cel kanaliseren. Onder andere urinestoffen zoals glucose en overmaat elektrolyten worden uitgescheiden door de nieren om de osmotische druk in het lichaam te reguleren.
Ziekten en kwalen
Osmose speelt ook een belangrijke rol bij het reguleren van elektrolyt evenwicht. Elektrolyten worden opgelost zouten en bestaan uit positief geladen metaalionen zoals natrium, kalium, magnesiumof calcium ionen en negatief geladen anionen zoals chloridebicarbonaat, of fosfaat anionen. Ze zijn in verschillende concentraties aanwezig, zowel in de cel (intracellulair), buiten de cellen (interstitieel) als in de bloedbaan (intravasculair). De concentratie verschillen genereren de elektrische spanning op de celmembranen, waardoor een verscheidenheid aan processen op cellulair niveau wordt geactiveerd. Als het concentratie verschillen worden verstoord, de gehele elektrolytenbalans is ook verstoord. de nieren reguleren deze elektrolytenbalans via verschillende mechanismen zoals dorstmechanismen, hormonale processen of nier-acterende peptiden. In gevallen van ernstige diarree, braken, bloed verlies of nierfalenkan de water- en elektrolytenbalans verstoord zijn. Elke elektrolyt kan in te hoge of te lage concentraties aanwezig zijn. Storingen in de water- en elektrolytenbalans zijn soms levensbedreigend, afhankelijk van de ernst ervan. Voorbeelden van dergelijke aandoeningen zijn onder meer uitdroginghyperhydratie, hyper- en hypovolemie (toegenomen of afgenomen bloed volume), hypo- en hypernatriëmie, hypo- en hyperkaliëmie, en hypo- en hypercalciëmie. Elk van deze aandoeningen vereist een intensieve behandeling. In de regel wordt de water- en elektrolytenbalans snel opnieuw in evenwicht gebracht. Als het regulatiemechanisme tussen actieve transportprocessen en osmotische processen echter wordt verstoord nierinsufficiëntie of een andere ziekte, kunnen chronische verstoringen van de elektrolytenbalans optreden. Als gevolg hiervan treden oedeem, hart- en vaatziekten, hersenoedeem, verwardheidstoestanden of toevallen op. De onderlinge relaties van water- en elektrolytenbalans met biologische processen in het lichaam zijn zo complex dat vergelijkbare symptomen vaak worden waargenomen bij alle vormen van elektrolytstoornissen Het bepalen van de elektrolytenbalans zou een standaardonderzoek moeten zijn wanneer deze symptomen chronisch zijn.
