Osmose en diffusie

Leerdoelen

•Je kunt de begrippen diffusie en osmose beschrijven.

•Je kunt plasmolyse en turgor verklaren.

•Je kunt de begrippen isotonisch, hypertonisch en hypotonisch van elkaar onderscheiden.

Diffusie

Moleculen zijn continu in beweging. Door deze beweging verdelen ze zich vanzelf over de ruimte. Dit proces, waarbij moleculen zich verspreiden van een plek met een hogere concentratie naar een plek met een lagere concentratie, noemen we diffusie. Het gebeurt automatisch en gaat net zo lang door totdat de moleculen gelijkmatig verdeeld zijn. Denk bijvoorbeeld aan de geur van een scheet die zich na verloop van tijd door een hele zaal verspreidt. Dit is een vorm van gasdiffusie. Diffusie komt ook voor bij vloeistoffen, zij het vaak iets langzamer. De snelheid van diffusie is onder andere afhankelijk van de temperatuur en de concentratie van de moleculen.

Osmose

Osmose is een bijzonder type diffusie: het is de diffusie van water. Ook watermoleculen bewegen van een plek waar ze in een hogere concentratie aanwezig zijn naar een plek met een lagere concentratie. Dit betekent dat water beweegt van een oplossing met relatief veel water (en dus minder opgeloste stoffen, zoals zout) naar een oplossing met relatief weinig water (en dus meer opgeloste stoffen).

Het semi-permeabele membraan

Osmose vindt plaats door een semi-permeabel membraan. Dit is een speciaal type membraan dat wel watermoleculen doorlaat, maar geen grotere moleculen zoals glucose of zouten. In biologische systemen, zoals in onze cellen, zijn porie-eiwitten in het celmembraan hier verantwoordelijk voor. Zij bepalen welke stoffen wel en welke niet kunnen passeren. Stel je een bekerglas voor dat in tweeën is gedeeld door een semi-permeabel membraan. Als je aan de ene kant meer zout strooit dan aan de andere kant, creëer je een verschil in osmotische waarde. De kant met meer zout heeft een hogere osmotische waarde en dus een lagere waterconcentratie. De kant met minder zout heeft een lagere osmotische waarde en een hogere waterconcentratie. Omdat de zoutmoleculen niet door het membraan kunnen, zal water van de kant met de hogere waterconcentratie (minder zout) naar de kant met de lagere waterconcentratie (meer zout) bewegen. Dit veroorzaakt een verandering in het waterniveau.

Planten maken slim gebruik van dit principe: ze nemen zouten op, en het water volgt dan automatisch door osmose.

Cellen in verschillende omgevingssituaties

Elke cel heeft een bepaalde interne concentratie van opgeloste stoffen in het cytoplasma, wat resulteert in een specifieke osmotische waarde. De omgeving waarin een cel zich bevindt, kan variëren ten opzichte van deze interne waarde. We onderscheiden drie typen omgevingen:

•Isotonische omgeving: de omgeving heeft dezelfde osmotische waarde als de cel. Er is een evenwicht, waardoor er evenveel water de cel instroomt als uitstroomt. Netto is er geen waterverplaatsing.

•Hypertonische omgeving: de omgeving heeft een hogere osmotische waarde (is 'zouter') dan de cel. Dit betekent dat er in de omgeving minder watermoleculen zijn dan in de cel. Water zal de cel uitstromen.

•Hypotonische omgeving: de omgeving heeft een lagere osmotische waarde (is 'wateriger') dan de cel. Dit betekent dat er in de omgeving meer watermoleculen zijn dan in de cel. Water zal de cel instromen.

Effect op dierlijke cellen

Dierlijke cellen hebben geen celwand, alleen een flexibel celmembraan.

•In een hypotonische omgeving zal een dierlijke cel continu water opnemen. Zonder een stevige celwand kan de cel de druk niet weerstaan en zal deze uiteindelijk knappen (dit wordt ook wel lysis genoemd).

•In een isotonische omgeving blijft de cel in evenwicht, met evenveel wateropname als afgifte.

•In een hypertonische omgeving verliest de cel water en zal deze verschrompelen door uitdroging.

Effect op plantencellen

Plantencellen zijn omgeven door een stevige celwand. Deze celwand is volledig doorlaatbaar (vergelijkbaar met "lek als een mandje"), wat betekent dat alle kleine moleculen erdoorheen kunnen. Het celmembraan van de plantencel, dat net onder de celwand ligt, is echter semi-permeabel.

•In een hypertonische omgeving verliest de plantencel water. Het celmembraan trekt zich terug van de celwand en de inhoud van de cel verschrompelt. Dit proces noemen we plasmolyse.

•In een isotonische omgeving is er een evenwicht, vergelijkbaar met dierlijke cellen in zo'n omgeving.

•In een hypotonische omgeving neemt de plantencel water op. Het celmembraan drukt tegen de celwand aan en de cel komt onder spanning te staan. Deze druk tegen de celwand noemen we turgor. De celwand voorkomt dat de plantencel knapt, in tegenstelling tot een dierlijke cel.

Plasmolyse

Plasmolyse is het fenomeen waarbij een plantencel zoveel water verliest (in een hypertonische omgeving) dat het celmembraan loslaat van de celwand. Dit kun je prachtig waarnemen onder een microscoop, bijvoorbeeld bij een rode uiencel die in een zoute oplossing wordt gelegd. De celinhoud trekt zich samen tot een klein bolletje binnen de vaste celwand. Als de cel daarna weer in een hypotonische omgeving wordt gelegd, zal deze weer water opnemen en verdwijnt de plasmolyse.

Turgor

Turgor is de druk die ontstaat in een plantencel wanneer deze veel water opneemt (in een hypotonische omgeving). Het celmembraan drukt dan met kracht tegen de celwand. Deze interne druk is essentieel voor de stevigheid van planten. De turgor zorgt ervoor dat bladeren en stengels rechtop blijven staan en dat de plant haar vorm behoudt. Zonder voldoende turgor verliezen planten hun stevigheid.

Het pantoffeldiertje en osmose

Niet alleen planten, maar ook diertjes moeten omgaan met osmotische druk. Een mooi voorbeeld is het pantoffeldiertje, dat vaak in water leeft met een lagere osmotische waarde dan het diertje zelf (een hypotonische omgeving). Het pantoffeldiertje neemt daardoor continu water op. Om te voorkomen dat het knapt, heeft het een speciaal orgaantje: de kloppende vacuole. Deze vacuole perst het overtollige water continu naar buiten. Hoe lager de osmotische waarde van het water, hoe sneller de kloppende vacuole moet kloppen om al het water af te voeren.

Waarom hangen kruidachtige planten slap bij watertekort?

Als kruidachtige planten, zoals brandnetels of bloemen in een vaas, te weinig water krijgen, gaan ze slap hangen. Dit komt doordat de plantencellen onvoldoende water kunnen opnemen uit hun omgeving. Hierdoor neemt de turgor in de cellen sterk af. De druk van het celmembraan tegen de celwand vermindert, waardoor de cellen hun stevigheid verliezen. De plantencellen worden als het ware "leeggelopen banden". De plant verliest hierdoor de kracht om rechtop te staan en zal slap gaan hangen. Zodra de plant weer voldoende water krijgt, zullen de cellen water opnemen, de turgor herstellen en de plant zal weer rechtop gaan staan.