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Passiver Membrantransport - Prinzip und Mechanismen

Osmose

Osmose
Darunter versteht man die Diffusion von Lösungsmittelmolekülen durch eine semipermeable Membran, wenn diese zwei unterschiedlich konzentrierte Lösungen trennt.

Wenn sich beidseitig einer permeablen Membran verschiedene Konzentrationen einer Lösung befinden, können alle Komponenten frei diffundieren. Ist die Membran jedoch semipermeabel, wird nur eine Komponente, meistens das Lösungsmittel, durchgelassen. Um die gleiche Konzentration des nicht permeationsfähigen Stoffes auf beiden Seiten der Membran herzustellen, wandert Lösungsmittel vom Raum mit niedriger Konzentration zum Raum mit höherer Konzentration (Verdünnungsbestreben).

Animation "Prinzip der Diffusion und Osmose"

Wie kann man Osmose quantitativ beschreiben?

Wenn auf beiden Seiten einer semipermeablen Membran unterschiedliche Konzentrationen von einem löslichen Stoff vorliegen, baut sich in der Lösung mit der höheren Konzentration auch höherer osmotische Druck auf. Die makroskopische Ursache liegt darin, dass sich die gelösten Teilchen mit einer Hydrathülle umgeben - dadurch dehnt sich das Volumen aus und der osmotischer Druck erhöht sich. Der osmotische Druck ist eine kolligative Eigenschaft, d.h. er hängt von der Zahl der Teilchen ab. Unter Osmolarität versteht man die Konzentration aller osmotisch wirksamen Teichen. Quantitativ kann der osmotische Druck durch das Van´t Hoff'sche Gesetz beschrieben werden:

p = c R T

p = osmotischer Druck [Pa], c = die osmotisch wirksame Stoffmengenkonzentration [ molL-1 ], R = universelle Gaskonstante und T = Temperatur [K]

Osmotischer Druck kann gemessen werden.

Abb.1
Osmose und osmotischer Druck

Zwei Behälter sind durch eine semipermeable Membran getrennt. Die Porengröße erlaubt kleinen Molekülen (z.B. Wasser) den Durchlass, verhindert aber den Durchgang von großen Molekülen (rot). Durch die Bewegung der Wasser-Moleküle von Kammer A nach Kammer B baut sich in der Kammer B eine messbare hydrostatische Druckdifferenz auf, die ein weiteres Einströmen von Wasser verhindert. Diese Druckdifferenz entspricht dem osmotischen Druck. So ist der osmotische Druck ein Maß für die Konzentration der Teilchen, welche die Membran nicht durchdringen können.

Der osmotische Druck kann in drei Bereiche eingeteilt werden:

  • isotonisch: Die Konzentration der osmotisch aktiven Stoffe ist auf beiden Seiten der Membran gleich.
  • hypotonisch: Die Konzentration einer gelösten Substanz ist auf der einen Seite (z.B. in der Zelle) niedriger als auf der anderen Seite der Membran (z.B. der Umgebung der Zelle).
  • hypertonisch: Die Konzentration einer gelösten Substanz auf einer Seite der Membran (z.B. in der Zelle) ist höher als auf der anderen Seite (z.B. der Umgebung der Zelle) . Das Wasser wandert aus einer hypotonischen in eine hypertonische Lösung.

Die Bedeutung der Osmose für die Zelle

Jede Zelle unterliegt einem bestimmten osmotischen Druck: Tierische Zellen haben keine Zellwand, sondern nur eine Zellmembran und unterliegen daher einem (iso)osmotischen Druck. Ein Beispiel sind die roten Blutkörperchen (Erythrocyten), die normalerweise in einer isotonischen Umgebung (Blutplasma) vorkommen. Verdünnt man Blut mit Wasser, platzen die Zellen, da die Membran dem osmotischen Druck des Zellinneren nicht standhält. Aus diesem Grund wird Blut nur mit einer isotonischen Lösung verdünnt.

Pflanzenzellen sind in der Regel von einer elastisch dehnbaren Zellwand umgeben. Durch Wasseraufnahme baut sich intrazellulär ein entsprechend hoher hydrostatischer Druck auf. Da jede Zelle Druck auf die Benachbarte ausübt, baut sich in der Summe über das gesammte Zellgewebe eine beträchtliche Gewebespannung auf. Dadurch spielt der Turgor (Spannungszustand) eine entscheidende Rolle beim Erhalt von Stabilität und Steifheit pflanzlicher Gewebe.

Osmotische Vorgänge sind bei Stoff- und Wassertransport durch Membranen von Bedeutung. Der selektive Transport von Protonen durch Zellmembranen dient z.B. der ATP-Gewinnung. Aber auch der physiologische Wassertransport durch Epithelien wie z.B. durch die Niere (ca 170 L/Tag) wird entscheidend durch Osmose gesteuert.

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