Osmose und Tonizität

Hast du jemals vergessen, eine Pflanze für ein paar Tage zu gießen, und bist dann zurückgekommen, um deinen einst frischen Rucola als welkes Etwas zu finden? Wenn ja, dann weißt du bereits, dass der Wasserhaushalt für Pflanzen sehr wichtig ist. Wenn eine Pflanze welkt, geschieht dies, weil das Wasser aus ihren Zellen verschwindet. Das führt dazu, dass diese ihren Innendruck - den so genannten Turgor - verlieren, der normalerweise die Pflanze stützt.

Warum verschwindet das Wasser aus den Zellen? Die Wassermenge außerhalb der Zellen sinkt, wenn die Pflanze Wasser verliert, aber im Bereich außerhalb der Zellen verbleibt die gleiche Menge an Ionen und anderen Teilchen. Diese Erhöhung der Konzentration der gelösten Stoffe zieht das Wasser aus den Zellen und in die extrazellulären Räume über einen Prozess, der als Osmose bekannt ist.

Formal ist Osmose die Nettobewegung von Wasser durch eine semipermeable Membran von einem Bereich mit niedriger Konzentration an gelösten Stoffen in einen Bereich mit höherer Konzentration an gelösten Stoffen. Das klingt zunächst seltsam, da wir normalerweise über die Diffusion von Stoffen sprechen, die in Wasser gelöst sind, und nicht über die Bewegung des Wassers selbst. Die Osmose ist jedoch für viele biologische Prozesse wichtig und findet oft gleichzeitig statt, wenn gelöste Stoffe diffundieren oder transportiert werden. Hier werden wir genauer untersuchen, wie Osmose funktioniert und welche Rolle sie für den Wasserhaushalt von Zellen spielt.

Warum bewegt sich Wasser von Bereichen, in denen weniger Stoffe gelöst sind, in Bereiche, in denen die Konzentration gelöster Stoffe höher ist?

Das ist eigentlich eine komplizierte Frage. Um es zu beantworten, gehen wir erstmal einen Schritt zurück und schauen uns nochmal an, warum eine Diffusion abläuft. Bei der Diffusion bewegen sich Moleküle von einem Bereich höherer Konzentration zu einem Bereich niedrigerer Konzentration - nicht, weil sie sich ihrer Umgebung bewusst sind, sondern einfach aufgrund von Wahrscheinlichkeiten. Wenn eine Substanz in gasförmiger oder flüssiger Form vorliegt, befinden sich ihre Moleküle in ständiger, zufälliger Bewegung, prallen gegeneinander oder gleiten aneinander vorbei. Wenn es viele Moleküle einer Substanz in Kompartiment A und keine Moleküle dieser Substanz in Kompartiment B gibt, ist es sehr unwahrscheinlich - tatsächlich sogar unmöglich -, dass sich ein Molekül zufällig von B nach A bewegt. Auf der anderen Seite ist es sehr wahrscheinlich, dass sich ein Molekül von A nach B bewegt. Du kannst dir diese ganzen Moleküle vorstellen, die im Kompartiment A umherhüpfen, und einige von ihnen machen einen Sprung ins Kompartiment B. Die Nettobewegung von Molekülen wird also von A nach B gehen. Und zwar solange, bis die Konzentrationen in beiden Kompartimenten gleich sind.

Im Falle der Osmose kannst du dir wieder Moleküle - diesmal Wassermoleküle - in zwei durch eine Membran getrennten Kompartimenten vorstellen. Wenn keines der Kompartimente einen gelösten Stoff enthält, bewegen sich die Wassermoleküle mit gleicher Wahrscheinlichkeit in beide Richtungen zwischen den Kompartimenten. Wenn wir jedoch einen gelösten Stoff zu einem Kompartiment hinzufügen, wirkt sich dies auf die Wahrscheinlichkeit aus, dass sich Wassermoleküle aus diesem Kompartiment heraus und in das andere Kompartiment bewegen - konkret verringert es diese Wahrscheinlichkeit.

Warum ist das so? Es gibt einige andere Erklärungen dafür. Die Erklärung, die wissenschaftlich am besten fundiert ist, sagt aus, dass die gelösten Moleküle von der Membran abprallen und physikalisch die Wassermoleküle zurückprallen lassen, wodurch sie weniger wahrscheinlich die Membran durchqueren können.${}^{1,2}$‍

Unabhängig vom genauen Mechanismen ist der zentrale Punkt: Je mehr gelöste Stoffe Wasser enthält, desto weniger ist es geeignet, sich über eine Membran in ein benachbartes Kompartiment zu bewegen. Dies führt zu einer Nettobewegung von Wasser aus Bereichen mit niedrigerer Konzentration an gelösten Stoffen in Bereiche mit höherer Konzentration an gelösten Stoffen.

Dieser Prozess ist in dem Beispiel des Bechers hier dargestellt, in dem es einen Nettofluss von Wasser von dem Kompartiment auf der linken Seite zu dem Kompartiment auf der rechten Seite geben wird, bis die Konzentrationen der gelösten Stoffe nahezu ausgeglichen sind. Beachte, dass die Konzentrationen in diesem Fall nicht vollkommen gleich werden, weil der hydrostatische Druck, der durch die aufsteigende Wassersäule auf der rechten Seite ausgeübt wird, der osmotischen Antriebskraft entgegenwirkt, wodurch ein Gleichgewicht erzeugt wird, das kurz vor den gleichen Konzentrationen endet.

Osmolarität beschreibt die Gesamtkonzentration aller gelösten Stoffe in einer Lösung. Eine Lösung mit niedriger Osmolarität hat weniger gelöste Teilchen pro Liter Lösung, während eine Lösung mit hoher Osmolarität mehr gelöste Teilchen pro Liter Lösung aufweist. Wenn Lösungen verschiedener Osmolaritäten durch eine Membran getrennt werden, die durchlässig für Wasser ist, aber nicht für die gelösten Stoffe, wandert Wasser von der Seite mit geringerer Osmolarität zu der Seite mit höherer Osmolarität.

Drei Begriffe – hyperosmotisch, hypoosmotisch und isoosmotisch – werden verwendet, um relative Osmolaritäten zwischen Lösungen zu beschreiben. Zum Beispiel beim Vergleich zweier Lösungen mit unterschiedlichen Osmolaritäten wird die Lösung mit der höheren Osmolarität als hyperosmotisch und die Lösung mit geringerer Osmolarität als hypoosmotisch bezeichnet. Besitzen zwei Lösungen die gleiche Osmolarität haben, werden sie isoosmotisch genannt.

In der Medizin und in Biologielabors ist es oft hilfreich, darüber nachzudenken, wie Lösungen die Bewegung von Wasser in Zellen hinein und aus Zellen heraus beeinflussen. Die Fähigkeit einer extrazellulären Lösung, Wasser durch Osmose in eine Zelle hinein oder aus einer Zelle heraus zu bewegen, wird als ihre Tonizität bezeichnet. Die Tonizität unterscheidet sich ein wenig von der Osmolarität, da sie die relativen Konzentrationen der gelösten Stoffe und die Permeabilität der Zellmembran für diese Stoffe berücksichtigt.

Drei Begriffe – hypertonisch, hypotonisch und isotonisch – werden verwendet, um zu beschreiben, ob eine Lösung dazu führt, dass Wasser in eine Zelle oder aus einer Zelle gelangt:

Wenn eine Zelle in eine hypertonische Lösung gelegt wird, wird das Wasser netto aus der Zelle heraus fließen und die Zelle wird an Volumen verlieren. Eine Lösung ist hypertonisch gegenüber der Zelle, wenn die Konzentration der gelösten Stoffe höher ist als die Konzentration innerhalb der Zelle und die gelösten Stoffe nicht die Membran durchqueren können.

Wenn eine Zelle in eine hypotonische Lösung gelegt wird, wird das Wasser netto in die Zelle hinein fließen und die Zelle wird an Volumen zunehmen. Wenn die Konzentration gelöster Stoffe außerhalb der Zelle kleiner ist als innerhalb der Zelle und die gelösten Stoffe nicht die Membran durchqueren können, ist die Lösung hypotonisch gegenüber der Zelle.

Wenn eine Zelle in eine isotonische Lösung gelegt wird, wird Wasser netto weder in die Zelle hinein noch aus ihr heraus fließen und das Volumen der Zelle wird sich nicht verändern. Wenn die Konzentration gelöster Stoffe außerhalb und innerhalb der Zelle gleich ist und die gelösten Stoffe nicht die Membran durchqueren können, dann ist die Lösung isotonisch gegenüber der Zelle.

Wenn eine Zelle in eine hypertonische Lösung gelegt wird, verlässt Wasser die Zelle und die Zelle schrumpft. In einer isotonischen Umgebung gibt es keine Netto-Wasserbewegung, daher ändert sich die Größe der Zelle nicht. Wenn eine Zelle in einer hypotonischen Umgebung platziert wird, wird Wasser in die Zelle eindringen und die Zelle wird anschwellen.

Im Fall von roten Blutkörperchen sind isotonische Bedingungen ideal und dein Körper verfügt über homöostatische (stabilitätserhaltende) Systeme, um sicherzustellen, dass diese Bedingungen konstant bleiben. Wenn sie sich in einer hypotonischen Lösung befindet, bläht sich eine rote Blutzelle auf und kann explodieren, während sie in einer hypertonischen Lösung schrumpft - wodurch das Zytoplasma dichter und konzentrierter wird - und absterben kann.

Im Fall einer Pflanzenzelle ist jedoch eine hypotonische extrazelluläre Flüssigkeit ideal. Die Plasmamembran kann sich nur bis an die Grenze der festen Zellwand ausdehnen, sodass die Zelle nicht platzen oder lysieren kann. Tatsächlich ist das Zytoplasma in Pflanzen im Allgemeinen ein bisschen hypertonisch zur zellulären Umgebung und Wasser tritt in die Zelle ein, bis ihr innerer Druck —Turgur— ein weiteres Hineinströmen verhindert.

Die Aufrechterhaltung dieses Gleichgewichts von Wasser und gelösten Stoffen ist sehr wichtig für die Gesundheit der Pflanze. Wenn eine Pflanze nicht gegossen wird, wird die extrazelluläre Flüssigkeit isotonisch oder hypertonisch, was bewirkt, dass Wasser die Pflanzenzellen verlässt. Dies führt zu einem Verlust des Turgors, was du wahrscheinlich als Welken gesehen hast. Unter hypertonischen Bedingungen kann sich die Zellmembran tatsächlich von der Wand lösen und das Zytoplasma verengen, ein Zustand, der als Plasmolyse bezeichnet wird (linke Abbildung unten).

Tonizität ist ein Anliegen für alle Lebewesen, insbesondere für jene, die keine starren Zellwände haben und in hyper- oder hypotonischen Umgebungen leben. Zum Beispiel können Pantoffeltierchen – unten abgebildet – und Amöben, bei denen es sich um Protisten ohne Zellwände handelt, spezialisierte Strukturen haben, die als kontraktile Vakuolen bezeichnet werden. Eine kontraktile Vakuole sammelt überschüssiges Wasser aus der Zelle und pumpt es heraus, sodass die Zelle nicht lysiert, wenn sie Wasser aus ihrer hypotonischen Umgebung aufnimmt.