Osmose
Osmose beschreibt den Vorgang der sogenannten Diffusion eines Lösungsmittels durch eine semipermeable oder selektivpermeable Membran, um dadurch einen Konzentrationsausgleich der im Lösungsmittel gelösten Teilchen auf beiden Seiten der Membran zu erreichen. Dem zu Grunde liegt das Streben der beiden Lösungen nach einem Konzentrationsausgleich.
Warum ist Osmose wichtig?
Ohne den Vorgang der Osmose wären viele wichtige Funktionen wie biochemische Abläufe innerhalb eines jeden Organismus undenkbar. Pflanzen könnten überhaupt nicht existieren, denn ihre Wurzeln würden kein Wasser aus dem Boden ziehen, ihre Zellen würden vertrocknen. Eine Tulpe könnte nicht aufrecht in der Vase stehen, sondern wären ein trauriger Haufen Brei.
Erst durch den Vorgang der Osmose gelangt Wasser auf die eine oder die andere Seite einer Membran, und wandert damit ohne zusätzlichen Energieaufwand. Das Verständnis der Osmose ist deshalb zentraler Bestandteil der Biologie sowie der Biochemie, und wird fast immer für das Verständnis komplexerer biochemischer Abläufe vorausgesetzt.
Diffusion
Der Osmose zugrunde liegt der Vorgang der Diffusion. Alle Bestandteile einer Lösung sind ständig in Bewegung und durchmischen sich ständig. Gibt man einen Tropfen Farbstoff (hochkonzentrierte Lösung) in ein Glas Wasser, verharrt der Tropfen Farbstoff nicht starr im Wasser. Schon nach kurzer Zeit verteilt sich die Farbe im Wasser, und das gesamte Wasser im Glas gleichmäßig eingefärbt.
Das passiert deshalb, weil die Wassermoleküle ständig in Bewegung sind. Die Bewegungsenergie der einzelnen Moleküle ist abhängig von ihrer Temperatur und führt dazu, dass die Wassermoleküle sofort wie Boxautos in den Farbstofftropfen preschen, sobald er ins Glas kommt. Über die Zeit gelangen die Farbsoffmoleküle so in das gesamte Glas, und verteilen sich homogen in der Lösung. Diese ständige selbständige Durchmischung aller Bestandteile einer Lösung nennt man Diffusion.
Der Vorgang der Diffusion ermöglicht den elementaren chemischen Prozess,, dem Streben einer Lösung nach Konzentrationsausgleich. Alle Moleküle einer Lösung streben stets eine gleichmäßige Verteilung der Bestandteile an. Trennt man nun zwei Lösungen durch eine nur für Wassermoleküle passierbare Membran voneinander ab, dann diffundieren die Wassermoleküle bei ihrem Streben nach Konzentrationsausgleich durch die Membran hindurch auf die Seite der höher konzentrierten Lösung. Dieser Vorgang heißt Osmose.
Semipermeable Membran
Eine semipermeable (halbdurchlässige) Membran ist eine Membran, die lediglich für Stoffe bestimmter Größe durchlässig ist. In der Biologie passiert die semipermeable Membran meistens das Lösungsmittel Wasser. Andere Lösungsmittel wie Alkohole kommen in der Chemie ebenfalls in Verwendung. Das Lösungsmittel muss dabei Moleküle aufweisen die klein genug sind, um durch die Lücken und Abstände der Membran diffundieren zu können.
Die im Lösungsmittel gelösten Moleküle wie beispielsweise Zucker oder Salze sind hingegen zu groß um die semipermeable Membran passieren zu können. Besteht ein Konzentrationsgefälle zwischen den durch eine semipermeable Membran getrennten Lösungen diffundiert allein das Lösungsmittel durch die Membran hin zur höheren Konzentration des gelösten Stoffes.
Die Biomembran der Zellen ist eine solche semipermeable Membran. Genauer gesagt ist die Biomembran eine selektiv permeable Membran, da nicht nur Wasser die Membran passieren kann, sondern in die Membran eingebaute Proteine bestimmte (selektive) Moleküle passieren lassen oder aktiv durch Energieverbrauch transportieren.
Konzentrationsgefälle und Konzentrationsausgleich
Trennt man nun ein Glas Wasser durch eine semipermeable Membran in zwei gleich große Hälften auf und gibt in die eine Hälfte einen Tropfen Farbstoff, ist die Lösung auf der Seite mit dem Farbstofftropfen höher konzentriert als die Lösung ohne. Es besteht ein Konzentrationsgefälle zwischen den beiden Lösungen. Da die beiden Lösungen lediglich durch eine dünne semipermeable Membran getrennt sind, sind sie noch immer in Kontakt und Streben nach einem Konzentrationsausgleich.
Da allerdings der Farbstoff die semipermeable Membran nicht passieren kann, diffundiert mehr Wasser durch die semipermeable Membran von der geringer konzentrierten Lösung hin zur höher konzentrierten als zurück. Dadurch wird mit der Zeit ein Konzentrationsausgleich der beiden Lösungen erreicht. Durch das einseitig in die höher konzentrierte Lösung "drückende" Lösungsmittel nimmt die Menge der Lösung im Laufe der Osmose auf der einen Seite der Membran zu, auf der anderen ab. Man spricht hierbei vom osmotischen Druck.
Das Lösungsmittel diffundiert immer entgegen des Konzentrationsgefälles hin zur höheren Stoffkonzentration
Osmotischer Druck
Der Osmotische Druck ist verantwortlich für eine Vielzahl intrazellulärer Vorgänge. Bei Pflanzenzellen erwirkt er den als "Turgor" bezeichneten Innendruck der Zellsaftvakuole gegen die Zellwand. Ohne diesen Druck würde eine holzfreie Pflanze nicht aufrecht stehen können. Tierzellen hingegen besitzen im Vergleich zu Pflanzenzellen keine umgebende Zellwand. Sie sind darauf angewiesen stets von einem isotonischen Medium umgeben zu sein. Ist dies nicht der Fall, kann die Zelle kollabieren oder platzen.
1. Zelle hypotonisch, Medium hypertonisch
Ist die Stoffkonzentration im Medium das die Zelle umgibt höher als innerhalb der Zelle, besteht ein Konzentrationsgefälle zum Zellinneren hin. Der Druck in der Zelle ist gering (hypotonisch), der Druck des umgeben Mediums hoch (hypertonisch). Wasser drückt aus der Zelle in das umgebende Medium, die Zelle kollabiert.
2. Zelle hypertonisch, Medium hypotonisch
Ist die Stoffkonzentration in der Zelle höher als im Medium das die Zelle umgibt, besteht ein Konzentrationsgefälle zum Medium hin. Der Druck in der Zelle ist hoch (hypertonisch), der Druck des umgebenden Mediums ist gering (hypotonisch). Wasser drückt in die Zelle, die Zelle platzt.
3. Zelle und Medium isotonisch
Ist die Stoffkonzentration innerhalb der Zelle gleich der Stoffkonzentration im die Zelle umgebenden Medium, ist auch der Druck auf beiden Seiten gleich (isotonisch). Wasser passiert die semipermeable Membran in beide Richtungen in gleicher Menge. Die Zelle ist in Normalform.