Osmoza i rola błony komórkowej

Osmoza to dyfuzja wody przez błonę półprzepuszczalną, czyli taką, która przepuszcza wodę, a zatrzymuje substancje w niej rozpuszczone. Woda przemieszcza się tam, gdzie substancji rozpuszczonych jest więcej, bo tam jej własne stężenie jest niższe. Hydrofobowe wnętrze błony komórkowej zatrzymuje jony, cukry i większość innych substancji rozpuszczonych, więc wobec nich błona działa jak półprzepuszczalna i to woda musi się przemieszczać, a nie one. Sama woda przechodzi przez dwuwarstwę wolno, dlatego większość komórek przepuszcza ją przez akwaporyny, białkowe kanały wodne, które przyspieszają osmozę, ale nie zmieniają jej kierunku. Przepływ wody przez akwaporyny jest transportem biernym: woda płynie zgodnie ze swoim gradientem, a komórka nie zużywa na to energii.

W komórce roślinnej jest druga błona o tych samych właściwościach: tonoplast, czyli błona otaczająca wakuolę. Sok wakuolarny zawiera dużo rozpuszczonych jonów, cukrów i kwasów organicznych, a tonoplast je zatrzymuje, więc wakuola ma wysokie stężenie substancji rozpuszczonych i przyciąga wodę osmotycznie. Woda wchodząca do komórki pokonuje więc dwie błony: najpierw błonę komórkową, potem tonoplast. Wakuola zajmuje w dojrzałej komórce roślinnej większość jej objętości, więc to ona przyjmuje większość wody przy turgorze i oddaje ją przy plazmolizie.

Nazwy hipotoniczny, hipertoniczny i izotoniczny zawsze porównują dwa roztwory oddzielone błoną. W biologii komórki drugim z nich jest wnętrze komórki, a w komórce roślinnej przede wszystkim sok wakuolarny. Roztwór hipotoniczny ma mniej substancji rozpuszczonych niż komórka, więc woda napływa do komórki i komórka zwiększa objętość. Roztwór hipertoniczny ma ich więcej, więc woda wypływa, a komórka traci objętość. Roztwór izotoniczny ma takie samo stężenie substancji rozpuszczonych jak komórka, więc przepływ netto jest równy zeru. Nie znaczy to, że woda stoi: cząsteczki przechodzą w obie strony, tylko bilans się zeruje.

Sama osmoza przebiega w komórce zwierzęcej i roślinnej tak samo, a różnica w skutkach wynika z obecności ściany komórkowej. Erytrocyt w roztworze hipotonicznym nie ma nic, co zatrzymałoby napływ wody, więc pęcznieje, aż jego błona pęka. To hemoliza. Komórka roślinna w tym samym roztworze też pobiera wodę. Woda przechodzi przez błonę komórkową i tonoplast do wakuoli, wakuola się powiększa i dociska protoplast do sztywnej ściany. Komórka nie pęka, tylko przechodzi w stan napięcia, zwany turgorem. Sama ściana przepuszcza i wodę, i substancje rozpuszczone, więc o kierunku przepływu decydują błona komórkowa i tonoplast, a ściana tylko ogranicza, jak bardzo komórka może się powiększyć. Protisty słodkowodne, które nie mają ściany, usuwają nadmiar wody wodniczkami tętniącymi, co wymaga nakładu energii.

Dlaczego komórka roślinna w końcu przestaje pobierać wodę, wyjaśnia pojęcie potencjału wody. Potencjał wody opisuje, jak silnie woda dąży do przemieszczenia się, i wyraża się go w megapaskalach. Czysta woda ma potencjał 0 MPa, a każda rozpuszczona substancja go obniża, więc roztwory mają potencjał ujemny. Woda zawsze płynie od potencjału wyższego do niższego. Potencjał wody komórki roślinnej jest sumą dwóch składników: potencjału osmotycznego, który jest tym niższy, im więcej substancji rozpuszczonych zawiera komórka, przede wszystkim sok wakuolarny, oraz potencjału ciśnienia, który tworzy nacisk ściany. Napierający na ścianę protoplast wywołuje ciśnienie turgorowe, a ściana odpowiada równym naciskiem. To ciśnienie podnosi potencjał wody w komórce i gdy zrówna się on z potencjałem roztworu, przepływ netto ustaje, choć roztwór na zewnątrz wciąż jest hipotoniczny. Przy plazmolizie oba składniki spadają: woda wypływa, więc stężenie soku wakuolarnego rośnie i potencjał osmotyczny maleje, a protoplast przestaje napierać na ścianę i potencjał ciśnienia maleje do zera.

W drugą stronę jest podobnie i znów decyduje ściana. Komórka zwierzęca w roztworze hipertonicznym po prostu się kurczy. W komórce roślinnej woda wypływa najpierw z wakuoli przez tonoplast do cytoplazmy, a potem przez błonę komórkową na zewnątrz. Wakuola się zmniejsza, protoplast kurczy się i odstaje od ściany, która zostaje na miejscu, bo jest sztywna. Przestrzeń między ścianą a protoplastem wypełnia wtedy roztwór z zewnątrz, bo ściana go przepuszcza. To zjawisko nazywa się plazmolizą i jest odwracalne: po przeniesieniu do wody protoplast wraca do ściany, co nazywa się deplazmolizą.

Komórce roślinnej i zwierzęcej służą różne warunki. Komórka roślinna potrzebuje otoczenia hipotonicznego, bo tylko wtedy woda napływa i utrzymuje turgor. Dzięki turgorowi rośliny zielne, które nie mają zdrewniałych tkanek, utrzymują sztywność. W roztworze izotonicznym woda przestaje napływać, komórki stają się wiotkie, a roślina więdnie. Zwierzę ma odwrotnie: krew jest utrzymywana w stanie izotonicznym wobec komórek, a płyn podawany dożylnie ma stężenie 0,9% NaCl właśnie po to, żeby erytrocyty ani nie pękły, ani się nie skurczyły.

Doświadczenie wykazujące osmozę wywołaną różnicą stężeń wewnątrz i na zewnątrz komórki najprościej przeprowadzić na bulwie ziemniaka. Problem badawczy: jak stężenie roztworu otaczającego komórki wpływa na zmianę długości fragmentów bulwy ziemniaka? Hipoteza: im wyższe stężenie roztworu, tym bardziej fragmenty się skracają, bo tym więcej wody tracą ich komórki. Zmienną niezależną jest stężenie roztworu, na przykład woda destylowana i roztwory sacharozy albo NaCl o rosnącym stężeniu. Zmienną zależną jest zmiana długości albo masy fragmentów. Pozostałe warunki muszą być we wszystkich próbach jednakowe: fragmenty z tej samej bulwy i tej samej wielkości, ta sama objętość roztworu, temperatura i czas. W każdej próbie umieszcza się kilka fragmentów, żeby wynik nie zależał od jednego. Próbą kontrolną są fragmenty w wodzie destylowanej. W wodzie fragmenty się wydłużają, w roztworach stężonych skracają, a stężenie, przy którym długość się nie zmienia, jest w przybliżeniu izotoniczne wobec komórek ziemniaka. Wniosek odpowiada na problem badawczy: kierunek i siła przepływu wody zależą od różnicy stężeń między wnętrzem komórki a roztworem.

Obserwację plazmolizy najlepiej zaplanować na skórce czerwonej cebuli, bo barwnik rozpuszczony w soku wakuolarnym pokazuje granice wakuoli bez barwienia preparatu. Preparat ze skórki w kropli wody ogląda się najpierw pod mikroskopem: zabarwiona wakuola wypełnia komórkę, a protoplast przylega do ściany. Potem, nie zdejmując preparatu ze stolika, zastępuje się wodę roztworem soli: kilka kropli nanosi się z jednej strony szkiełka nakrywkowego, a z drugiej odciąga wodę bibułą. Po kilku minutach widać, jak zabarwiona wakuola się zmniejsza, a protoplast odstaje od ściany. Ten sam zabieg z wodą destylowaną wywołuje deplazmolizę. Próbą kontrolną jest preparat pozostawiony w wodzie. Tak ustawiła obserwację CKE w czerwcu 2023 roku.