www.cichlids.hu - Ozmózis

AZ OZMÓZISRÓL

Ha egy edény két oldalába két eltérõ ionkoncentrációjú oldatot teszünk, az ionok diffundálni kezdenek a koncentrációkülönbségnek (koncentrációgrádiensnek) megfelelõen, és egy idõ után megszûnik a különbség a két oldal között

Ha a két oldalt elválasztjuk egy félig áteresztõ membránnal, ami ionokat nem, de vizet átenged, akkor megakadályozzuk az ionáramlást. Azonban a víz továbbra is szabadon áramlik, mégpedig a hígabb oldatból a töményebbe. (Ha úgy tetszik, az oldatokat úgy is felfoghatjuk, hogy a hígabb-ban nagyobb a vízmolekulák koncentrációja mint a töményebb sóoldatban. Tehát a víz a saját koncentrációgrádiensének megfelelõen áramlik.

A töményebb sóoldatban egyre több lesz a víz, addig amíg kiegyenlítõdik a különbség.

A fentiekbõl következik, hogy csak azok az oldott anyagoknak lehet ilyen hatásuk (ozmotikus, vízáramlást okozó) amelyek nem jutnak át a membránon. Pl. ha a két oldal között eltérõ az oxigénkoncentráció, de a membránon szabadon átjut az oxigén (és a biológiai membránok ilyenek), akkor annak nem lesz ozmotikus hatása, nem lesz a következtében vízáramlás. Ozmotikus koncentrációnak nevezzük azoknak az oldott anyagoknak a koncentrációját, amelyeknek ozmotikus hatásuk van (mértékegysége Osmol/l). Az ozmotikus koncentrációt nyomással is kifejezhetjük, ugyanis belátható, hogy az edény két oldala között a víz áramlásával nyomáskülönbség alakul ki . Egy adott oldat ozmotikus nyomása azt a hidrosztatikai nyomást jelenti, ami ellensúlyozni tudja a koncentrációgrádiensbol eredo víz-hajtóerot.

A sejtek és az ozmózis
A sejtek belsejében számos ozmotikus anyag van, ionok, fehérjék, egyéb oldott molekulák. A sejtmembrán viszont szemipermeabilis, azaz féligátereszto membránként viselkedik. Az ionok, illetve a töltéssel rendelkezo molekulák (fehérjék, szénhidrátok, egyebek) nem, a víz viszont szabadon áramlik át rajta.
Az elobbiekbol következik, hogy ha egy sejt belsejének az ozmotikus koncentrációja nagyobb mint a környezetének (a környezet hipozmotikus), akkor ennek megfeleloen a sejtbe víz áramlik, a sejt duzzad. Ha viszont a környezet ozmotikus nyomása nagyobb (hiperozmotikus), a víz kiáramlik a sejtbol, és a sejt zsugorodik. A sejt ozmotikus nyomásával megegyezo ozmotikus nyomású oldatot nevezzük izozmotikusnak.

A sejtek muködéséhez alapveto feltétel a környezetük állandósága, amihez hozzátartozik a pH, ionkoncentációk, és az ozmotikus nyomás is. Ezeknek viszonylag kismértéku változása a sejtek károsodását eredményezheti. Azonban a sejtek környezete a halak esetében nem a a halat körülvevo vizet jelenti, hanem a sejteket a szövetekben körülvevo sejtközötti teret. Ebben a térben található folyadéknak (aminek ozmotikus nyomása nagyjából megegyezik a vérplazmáéval – plazma: a vér vérsejteken kívüli része) az állandóságát a szervezet nagyon pontosan szabályozza, ami ezek után talán logikusan hangzik. És nem csak a folyadék összetétele, hanem mennyisége is szabályozott.

A sejtek közötti tér ozmotikus nyomásának fenntartása
Ha a szervezetbe többletvíz jut, a plazma és a sejtközötti tér ozmotikus koncentrációja csökken, ezt a szervezet vízkiválasztással tudja kompenzálni. Ha viszont no az ozmotikus nyomás, azt egyrész vízfelvétellel, másrészt ozmotikus hatású ionok kiválasztásával lehet egyensúlyozni.
A vízkiválasztás vizelettel történik, a vizelet pedig végülis a vérplazmából keletkezik. A vérplazma filtrálódik (elsodleges vizelet), majd az elsodleges vizeletbol visszaszívódnak a szükséges anyagok, és ezek végül nem kerülnek bele a végleges vizeletbe. Mivel a plazmában (és ezzel együtt a sejtek közötti térben) a legnagyobb mennyiségben elofoduló ion a Na+ (és persze a Cl-), ez felelos legnagyobb mértékben annak ozmotikus koncentrációjáért. Ebbol értheto, hogy az ozmotikus viszonyok (és a sejt közötti tér téfogatának) beállítása alapvetoen a Na+ kiválasztásával, vagy pont ellenkezoen, annak felvételével történhet a legkönnyebben. A vizelet kiválasztásakor Na+ (és vele együtt Cl-) szívódik vissza az elsodleges vizeletbol, a vizelet hígabb lesz mint a plazma, tehát, több víz ürül mint NaCl. Ezzel helyreállhatnak az ozmotikus viszonyok.
Tehát a sejtközötti tér ozmotikus nyomásának szabályozásában tehát alapveto szerepe van a Na+ kiválasztásnak-visszaszívásnak.

Ozmotikus nyomásviszonyok
Az általam talált adatok szerint (Schmidt-Nielsen: Animal physiology 1997), a tengervíz ionkoncentrációja 1000 mmol/liter körül van, egy lágy víznek (a könyv példáiban amerikai tavak, folyók szerepelnek) kb 1mmol/l. Egy kemény víz össz ionkoncentrációja is csak 20-30 mmol/liter körül van.
A Malawi tóban a http://www.malawisee.com/start.php?see/wasser.html honlap szerint az össz iontartalom 200 mg/liter alatt van. A tengervízben meg kb. 35 g/l. A ketto közt legalább két nagyságrendbeli különbség van, ami durván azt jelenti (habár ez nagyon pontatlan számolás, de nagyságrendbeli különbségek esetén talán megbocsátható) hogy valószínuleg a milimolban kifejezett koncentrációban is van két nagyságrendbeli különbség (akinek van kedve számolja ki). Ami megfelelhet a kövnyben talált kemény víz néhány tíz milimólos koncentrációjának.
A halak sejtjeiben (az édesvízi, és a tengeri halak egy részénél is) és az oket körülvevo sejtközötti térben az ozmotikus koncentráció nagyjából 300 mosmol/liter körül van. (elnézést, hogy kevergetem moláris és a ozmotikus koncentrációkat, meg a mmol/litert és a mosmol/litert, a ketto természetesen nem ugyanaz, de a lényeg megertése szempontjából ez nem fontos, vehetjük a kettot nagyjából azonosnak). Ehhez képest az édesvíz erosen hipozmotikus, attól függetlenül, hogy lágy vagy kemény (az egyik jobban a másik kevésbé, de a 20-30 mmol/liter is kicsi a 300-hoz képest).

Édesvizi halak ozmózis-szabályozása
Az édesvízi halak belso környezetükhöz képest tehát hipozmotikus környezetben élnek, a tengeri halak, meg pont fordítva, hiperozmotikusban. Ha a víz áramlása korlátlanul létrejöhetne a szervezet és a környezet között, akkor ez akkora ozmotikus stresszt jelentene a halaknak, hogy azt aligha tudnák kompenzálni. A testük nagy részén nem jön létre jelentos vízáramlás, azonban vannak helyek, ahol az élo sejtek nagy számban közvetlenül érintkeznek a környezo vízzel. Ilyen helyek a pl. a kopoltyúk (óriási felület!) és a bélrendszer. Ezeken keresztül vízfelvétel történik, folyamatosan hígul a plazma.

A halaknak alkalmazkodniuk kellett ehhez az evolúció folyamán. Talán nem meglepo, hogy ez az alkalmazkodás nagyrészt a felesleges víz vesén kersztüli kiválasztásával töténik. A halak folyamatosan eltávolítják vizelettel az így felvett vizet.
A vizeletkiválasztás azonban mindig sóvesztéssel is jár, ugyanis a vesék nem alkalmasak teljesen sómentes vizet eloállítani. Tehát a vízkiválasztással a halak NaCl ot is veszítenek. És sóvesztés, pótlás nélkül pedig súlyos következményekkel járhat.
Hogyan pótolják a vizelettel elveszített sót a halak?
Kétféleképpen: egyrészt a táplálékkal, másrészt a vízbol veszik fel a kopoltyúk segítségével. Azonban az ionokat a vízbol felvenni, nem is olyan egyszeru. A folyamat során több gond is felmerül. Egyrészt, eddig arról írtunk, hogy a sejtmembránon az ionok nem képesek átjutni, csak a víz. Másrészt egy óriási nátrium-koncentrációgrádiens van a plazma és a víz között (a plazmában van több), tehát ha lenne is szabad ionáramlás az a sejteken keresztül kifelé irányulna.

Az elso úgy hidalható át, hogy a plazmában transzporter fehérjék találhatók, amelyek specifikusan (csak meghatározott ionok) képesek ionokat szállítani. Olyanok ezek mint ajtók az épületek falán, itt lehetoség van az átjutásra. Ráadásul az ajtókon mondjuk van HÖLGYEK felirat (szelektív bejárat, csak hölgyek mehetnek be).

Kopolyú hámsejtek (ún. klorid sejtek):

A koncentrációgrádiens ellenében történo transzport pedig energiaflehasználással küzdheto le, az iontranszportban szereplo egyes fehérjék energiát használnak. A szervezetek energiafelhasználásának egyébként legnagyobb része ilyen energiaigényes transzportok fenntartására megy el.
Szóval ezek a sejtek ilyen transzporterekkel veszik fel a Na+-ot a vízbol. A Na+ ionokat Cl- követi egy másfajta transzporteren. Ez a transzporter a sejt belsejében található HCO3- ionokat cseréli ki Cl- ionokra.

Cl- transzporteren keresztül kloridion helyett nitrit ion is bejuthat a sejtekbe. Ez azt jelenti, hogy a transzporter nem teljesen specifikus, azaz nem csak klorid kötodhet hozzá, hanem pl. az azonos töltésu nitrit is (a nitrit, mivel töltéssel rendelkezo ion, természetesen nem tud transzporter nélkül átjutni a sejtmembránon).
Ennek gyakorlati jelentosége a következo lehet: magas nitritionkoncentráció esetén ha lassítani akarjuk a nitrit felvételét, növelnünk kell a vízben a klorid koncentrációját. Olyan ez mintha a Fradi-Újpest meccsre a szurkolók egy ajtón keresztül mehetnének be. Mit kell tennie a fradistáknak, hogy az ellentábor kint maradjon? Minél nagyobb a fradisták száma, annál kissebb lesz az esélye az újpestiekenek a bejutásra ?. Úgy is mondhatnánk kompetíció, azaz versengés alakul ki a két ion között. Ha több a klorid, nagyobb esély van a kötodésére mint a nitritnek, azaz a nitrit kint marad.

Öszzefoglalva: az édesvízi halak az ozmotikus nyomáskülönbségek miatt felvett vizet vizelettel ürítik, a vizelettel elvesztett ionokat pedig a kopoltyú hámsejtjein keresztüli felvétellel pótolják. Ezen folyamatok által alkalmazkodni tudnak a hipozmotikus környezethez.

Felhasznált irodalom:
Schmidt-Nielsen: Animal physiology, 1997
http://www.malawisee.com
Jensen FB.: Nitrite disrupts multiple physiological functions in aquatic animals.
Shigehisa Hirose és mtsi: Molecular biology of major components of chloride cells

2006.03.07.

Írta: bubam (www.cichlids.hu fórum)