1.5 Transport door membranen Samenvatting
Cellen wisselen stoffen uit met hun omgeving. Welke stoffen een membraan passeren en in welke richting ze zich verplaatsen, hangt onder andere af van de eigenschappen van het membraan en de concentratieverschillen.
Concentratie van een oplossing
Een oplossing bestaat uit een oplosmiddel, zoals water, en één of meer opgeloste stoffen. De concentratie geeft aan hoeveel opgeloste stof in een bepaalde hoeveelheid aanwezig is. Je kunt deze onder andere uitdrukken in gram per liter, procenten of mol per liter. Voor zeer lage concentraties wordt ppm gebruikt: 1 ppm is 0,0001%.
Een massapercentage bereken je door de massa van de opgeloste stof te delen door de totale massa van de oplossing en te vermenigvuldigen met 100%. Een oplossing van 9 gram keukenzout in 991 gram water bevat dus 9 / 1000 × 100% = 0,9% keukenzout.
Diffusie: nettoverplaatsing door concentratieverschil
Bij diffusie verplaatst een stof zich netto van een plaats met een hoge concentratie naar een plaats met een lage concentratie van die stof. Dit komt doordat deeltjes in gassen en vloeistoffen voortdurend en ongericht bewegen. Door botsingen veranderen ze telkens van richting.
Hierdoor verspreiden de deeltjes zich totdat de concentratie overal gelijk is. Daarna blijven ze bewegen, maar is er geen nettoverplaatsing meer. Zuurstof en koolstofdioxide kunnen door diffusie rechtstreeks door celmembranen bewegen.
Osmose en osmotische waarde
Een permeabel membraan laat stoffen door. Een semipermeabel of selectief permeabel membraan laat bepaalde stoffen wel door en andere niet. Wanneer water een membraan kan passeren en de opgeloste deeltjes niet, kan osmose optreden: diffusie van water door dat membraan.
De osmotische waarde hangt af van het aantal opgeloste deeltjes per volume-eenheid. Hoe meer deeltjes, hoe hoger de osmotische waarde. De soort deeltjes maakt daarbij niet uit. Keukenzout valt in water uiteen in natriumionen en chloride-ionen, terwijl glucose niet uiteenvalt. Daardoor levert één opgelost keukenzoutdeeltje meer deeltjes op dan één opgelost glucosemolecuul.
Bij osmose stroomt water netto van de oplossing met de laagste osmotische waarde naar de oplossing met de hoogste osmotische waarde. Daardoor wordt de meest geconcentreerde oplossing verdund. Concentraties worden niet altijd gelijk: een hoogteverschil tussen vloeistofniveaus kan een tegenwerkende druk veroorzaken die verdere nettoverplaatsing van water stopt.
Watertransport door celmembranen
Celmembranen en membranen van organellen zijn semipermeabel. Water passeert de fosfolipidenlaag slechts langzaam. Speciale membraaneiwitten, aquaporines, maken sneller watertransport mogelijk. Hoe meer aquaporines aanwezig zijn, hoe beter een membraan water doorlaat.
De termen isotoon, hypotoon en hypertoon beschrijven de osmotische waarde van de omgeving ten opzichte van de cel:
- Isotoon: de osmotische waarde is gelijk aan die in de cel. Er gaat evenveel water naar binnen als naar buiten.
- Hypotoon: de osmotische waarde is lager dan die in de cel. Water stroomt netto de cel in.
- Hypertoon: de osmotische waarde is hoger dan die in de cel. Water stroomt netto de cel uit.
Osmose bij dierlijke en plantaardige cellen
Een dierlijke cel, zoals een rode bloedcel, houdt in een isotone oplossing hetzelfde volume. In een hypotone oplossing neemt de cel water op, zwelt op en kan knappen. In een hypertone oplossing verliest de cel water en krimpt. Langdurig waterverlies kan tot celsterfte leiden.
Bij plantencellen is de celwand volledig permeabel, terwijl het celmembraan semipermeabel is. In een hypotone omgeving neemt een plantencel water op. De stevige celwand voorkomt dat de cel barst. De druk op de celwand heet turgor en geeft plantencellen en plantenweefsels stevigheid.
In een isotone omgeving verdwijnt de turgor. In een hypertone omgeving verliest de plantencel water, waardoor de osmotische waarde in de cel stijgt. Het celmembraan trekt los van de celwand, die niet mee kan krimpen. Dit heet plasmolyse. Langdurige plasmolyse kan tot celsterfte leiden.
Passief transport via eiwitten
Transport met het concentratieverval mee kost de cel geen energie en heet passief transport. Diffusie en osmose zijn hiervan voorbeelden. Stoffen kunnen rechtstreeks door de fosfolipidenlaag bewegen of via membraaneiwitten.
Transportkanaaltjes laten bijvoorbeeld water of bepaalde ionen door. Sommige staan voortdurend open; andere kunnen worden geopend of gesloten. Zo kan de cel de doorgang regelen.
Andere transporteiwitten binden een specifiek molecuul, zoals glucose. Door een vormverandering verplaatsen ze het molecuul door het membraan. Het hier beschreven transport verloopt van een hoge naar een lage concentratie en is dus passief. Hoe meer geschikte transporteiwitten aanwezig zijn, hoe sneller de diffusie van een stof kan verlopen.
Woordenlijst
- Diffusie: Door willekeurige beweging verspreiden deeltjes zich netto van een gebied met een hogere naar een gebied met een lagere concentratie.
- Hypertoon: Een oplossing die een hogere effectieve concentratie opgeloste stoffen heeft dan de vloeistof aan de andere kant van het membraan. Een cel in zo'n oplossing verliest netto water.
- Hypotoon: Een oplossing die een lagere effectieve concentratie opgeloste stoffen heeft dan de vloeistof aan de andere kant van het membraan. Een cel in zo'n oplossing neemt netto water op.
- Isotoon: Een oplossing die over een celmembraan geen netto waterverplaatsing veroorzaakt. De cel neemt evenveel water op als ze afgeeft.
- Osmose: Netto verplaatsing van water door een selectief doorlaatbaar membraan. Bij gelijke druk gaat water netto naar de kant met de hogere concentratie deeltjes die het membraan niet kunnen passeren.
- Osmotische waarde: Een maat voor de hoeveelheid opgeloste deeltjes per volume. Hoe meer opgeloste deeltjes, hoe hoger de osmotische waarde.
- Passief transport: Verplaatsing van stoffen met hun concentratieverschil of elektrochemische gradiënt mee. De cel hoeft daarvoor geen energie te leveren.
- Plasmolyse: Het krimpen van de inhoud van een plantencel door waterverlies, waardoor het celmembraan op plekken van de celwand loskomt.
- Semipermeabel of selectief permeabel: Gedeeltelijk doorlaatbaar. Het membraan laat bepaalde stoffen, zoals water, gemakkelijker passeren dan andere.
- Transporteiwitten: Membraaneiwitten die specifieke deeltjes doorlaten of overbrengen. Sommige vormen een kanaal, andere veranderen van vorm om een stof te verplaatsen.
- Turgor: De druk waarmee de inhoud van een plantencel tegen de celwand duwt. Die druk ontstaat doordat de cel water opneemt en houdt zachte plantendelen stevig.