Schimbul de substanțe dintre celulă și mediu

Celula are nevoie de substanțe din mediu și elimină produși ai activității sale. Membrana celulară formează o graniță selectivă: unele molecule trec mai ușor, altele au nevoie de ajutor sau nu trec în aceleași condiții. Un proces simplu este difuzia. Dacă o substanță poate trece, particulele ei se deplasează, în medie, dintr-o zonă unde sunt mai concentrate spre una unde sunt mai puțin concentrate. Oxigenul poate ajunge astfel din mediul exterior în celule, dacă există un gradient potrivit.

Osmoza este deplasarea apei printr-o membrană semipermeabilă, dinspre soluția mai diluată spre cea mai concentrată. Într-un mediu foarte diluat, celula vegetală primește apă și devine turgescentă; peretele îi limitează umflarea. Un eritrocit, care nu are perete, se poate sparge în mediu foarte diluat: fenomenul se numește hemoliză. Într-un mediu concentrat, celulele pierd apă și se micșorează.

Nu toate schimburile se petrec fără consum de energie. Celula poate folosi proteine din membrană ori poate încorpora particule prin vezicule. Aici urmărești ideea de bază: ce trece, în ce direcție și în ce condiții. În lecția Transportul prin membrană vei deosebi difuzia facilitată, transportul activ și transportul vezicular. Când explici un desen, scrie pe fiecare parte a membranei ce substanță este mai concentrată; altfel direcția poate fi confundată.

Difuzia simplă este deplasarea particulelor dintr-o zonă cu concentrație mare spre una cu concentrație mică, până când concentrațiile se egalizează. Nu consumă ATP, deoarece energia provine din agitația termică a particulelor. Prin bistratul fosfolipidic trec prin difuzie simplă moleculele mici nepolare (${\mathrm{O}}_2$, $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$), moleculele liposolubile (hormonii steroizi, etanolul) și, în cantitate mică, apa; ionii și moleculele polare mari, precum glucoza, nu traversează bistratul fără proteine. Viteza crește cu diferența de concentrație, cu temperatura și cu suprafața membranei și scade cu grosimea stratului străbătut. La nivelul alveolei pulmonare, presiunea parțială a oxigenului este de aproximativ $104\mathrm{mmHg}$, iar în sângele venos de $40\mathrm{mmHg}$, deci oxigenul trece în sânge; dioxidul de carbon ($46\mathrm{mmHg}$ în sângele venos, $40\mathrm{mmHg}$ în alveolă) trece în sens invers.

Osmoza este difuzia apei printr-o membrană semipermeabilă, permeabilă pentru apă, dar nu pentru substanța dizolvată. Apa trece dinspre soluția cu mai puține particule dizolvate spre cea cu mai multe. Presiunea osmotică a unei soluții este presiunea care ar trebui aplicată pentru a opri această deplasare. Un mediu este hipotonic, izotonic sau hipertonic în raport cu concentrația celulei:

Turgescența menține rigiditatea frunzelor și a tulpinilor ierboase, iar pierderea ei produce ofilirea. Plasmoliza este reversibilă: o celulă plasmolizată, readusă într-un mediu hipotonic, își recapătă forma prin deplasmoliză. Celula animală nu are perete, de aceea nu suferă plasmoliză; în mediu hipertonic se crenează.

Exemplu rezolvat 1: hematii în soluții de NaCl. Hematii umane sunt introduse în soluții de NaCl de $0,3\%$, $0,9\%$ și $2\%$. Ce se întâmplă cu fiecare?

1. Soluția de $0,9\%$ conține $9g/L$; cu $M(\mathrm{NaCl})=58,44g/mol$ rezultă $9/58,44\approx 0,154mol/L$. NaCl disociază în doi ioni, deci $2\cdot 0,154\approx 0,308osmol/L$, valoare apropiată de cea a plasmei (aproximativ $300mOsm/L$). Soluția este izotonică, iar hematia își păstrează forma.
2. Soluția de $0,3\%$ ($3g/L$) are aproximativ $103mOsm/L$, mult sub concentrația din hematie. Mediul este hipotonic, apa intră, hematia se umflă și se sparge (hemoliză).
3. Soluția de $2\%$ ($20g/L$) are aproximativ $684mOsm/L$, mult peste concentrația din hematie. Mediul este hipertonic, apa iese, iar hematia se crenează.

Exemplu rezolvat 2: cilindri de cartof. Doi cilindri de cartof, de câte $10\mathrm{g}$, sunt ținuți o oră, unul în apă distilată, celălalt într-o soluție concentrată de zahăr. Cântăriți din nou, au $11,2\mathrm{g}$ și, respectiv, $8,6\mathrm{g}$.

1. În apă distilată: $(11,2-10)/10\cdot 100=+12\%$. Masa a crescut, deci apa a intrat în celule; mediul este hipotonic, iar celulele sunt turgescente.
2. În soluția de zahăr: $(8,6-10)/10\cdot 100=-14\%$. Masa a scăzut, deci apa a ieșit; mediul este hipertonic, celulele sunt plasmolizate, iar țesutul s-a înmuiat.
3. Între aceste două situații există o concentrație la care masa rămâne $10\mathrm{g}$: acea soluție este izotonică cu sucul vacuolar al celulelor de cartof.

Tonicitatea este efectul unei soluții asupra volumului unei celule anume și depinde numai de substanțele dizolvate care nu traversează membrana; osmolaritatea este concentrația totală a particulelor dizolvate. Ureea traversează membrana hematiei, de aceea o soluție de uree nu se comportă ca o soluție de NaCl cu aceeași osmolaritate. Valorile de reținut: plasma are aproximativ $300mOsm/L$; soluția izotonică folosită în clinică (ser fiziologic) este NaCl $0,9\%$; soluția de glucoză $5\%$ este izotonică la preparare, dar glucoza este apoi metabolizată de celule, iar soluția devine hipotonică în organism. Injectarea intravenoasă de apă distilată ar produce hemoliză.

Viteza difuziei simple este proporțională cu gradientul și nu se saturează, spre deosebire de difuzia facilitată. Timpul de difuzie crește cu pătratul distanței ($t\propto x^2$): pentru o distanță de $100\mu \mathrm{m}$ față de una de $10\mu \mathrm{m}$, timpul este de $100$ de ori mai mare. De aceea celulele corpului se află în apropierea unui capilar, iar în țesuturile mari schimbul nu se poate baza numai pe difuzie.

La plante, rădăcina absoarbe apa prin osmoză: sucul vacuolar al perilor absorbanți este mai concentrat decât soluția solului, deci apa intră în celule. Într-un sol cu multe săruri (sărăturat) soluția solului devine hipertonică în raport cu celulele radiculare, apa nu mai intră, iar planta se ofilește deși solul este umed. Presiunea de turgescență exercitată asupra peretelui echilibrează tendința apei de a intra și oprește umflarea celulei.

Exemplu în format de admitere (complement grupat). Referitor la hematiile umane aflate în soluții de NaCl, sunt corecte afirmațiile:

1. În soluția de NaCl $0,9\%$ volumul hematiei rămâne aproximativ constant.
2. În apă distilată apa părăsește hematia, care se zbârcește.
3. În soluția de NaCl $2\%$ hematia pierde apă și se crenează.
4. Hemoliza are loc într-un mediu hipertonic.

• a) „Numai afirmațiile 1, 2 și 3 sunt corecte.”
• b) „Numai afirmațiile 1 și 3 sunt corecte.”
• c) „Numai afirmațiile 2 și 4 sunt corecte.”
• d) „Numai afirmația 4 este corectă.”
• e) „Toate afirmațiile sunt corecte sau toate sunt false.”

Răspuns: b. 1) Adevărată: soluția $0,9\%$ este izotonică cu plasma. 2) Falsă: în apă distilată (mediu hipotonic) apa intră, iar hematia se umflă și se sparge. 3) Adevărată: mediul hipertonic scoate apa din celulă și o crenează. 4) Falsă: hemoliza apare în mediu hipotonic.

Greșeli frecvente

• Greșit: În osmoză, zahărul traversează membrana spre partea cu mai multă apă.
  Corect: Procesul descrie deplasarea apei prin membrană.
• Greșit: Membrana lasă toate moleculele să treacă la fel.
  Corect: Are permeabilitate selectivă.
• Greșit: Într-un mediu hipotonic apa iese din celulă.
  Corect: Mediul hipotonic are mai puține particule dizolvate decât celula, iar apa intră în ea.
• Greșit: Difuzia și osmoza consumă ATP pentru că substanțele se deplasează.
  Corect: Ambele sunt procese pasive, fără consum de energie metabolică.

Înainte și după