DIFUSÃO, PERMEABILIDADE E OSMOSE

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DIFUSÃO, PERMEABILIDADE E OSMOSE
INTRODUÇÃO
“A água, assim como os gases oxigênio e dióxido de carbono, os nutrientes e os sais minerais são elementos essenciais à matéria viva”;
O oxigênio é necessário para que as células aeróbicas possam realizar a respiração celular;
O dióxido de carbono é necessário para que as células de organismos autotróficos possam produzir alimentos e liberar oxigênio pelo processo de fotossíntese;
A água tanto é responsável por muitos dos fenômenos da natureza como absolutamente essencial para a matéria viva;
Substâncias como glicose, aminoácidos e ácidos graxos, são essenciais à nutrição das células.
INTRODUÇÃO
íons (p. ex., Na+, K+, c1-, Ca2+ e Mg2+) são necessários para a realização de muitas das funções celulares;
As células devem ter a capacidade de eliminar os produtos de refugo do seu metabolismo, como o ácido úrico, a ureia e o dióxido de carbono.
OBSERVAÇÃO
A membrana plasmática celular separa os mencionados meios aquosos, intra e extracelulares;
Cada um dos quais contém, em solução ou suspensão, grande variedade de substâncias, em geral com diferentes concentrações entre os dois meios.
PERMEABILIDADE SELETIVA
As características de permeabilidade seletiva da membrana celular permitem que as células possam manter ótimas concentrações dessas substâncias em seu interior;
São diversas as substâncias que podem atravessar a membrana celular:
Moléculas necessárias para a vida das células, como ácidos graxos, glicose e aminoácidos do meio extracelular;
Substâncias de refugo, como a ureia e o ácido úrico, que devem ser eliminadas;
Moléculas hidrofóbicas pequenas, gases como oxigênio e dióxido de carbono, água, cátions (p. ex., H+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+) e ânions (p. ex., Cl- e HC03-).
OBSERVAÇÃO
A permeabilidade seletiva da membrana plasmática impede que moléculas, como o ATP, saiam do interior celular com facilidade;
Algumas substâncias como os gases, diversos íons e o etanol possam atravessar a membrana celular sem grande dificuldade;
Existem outras que não podem atravessar a membrana por si próprias e precisam de ajuda para poderem ir de um lado a outro da célula (proteínas transportadoras).
DIFUSÃO SIMPLES
Em nível molecular e atômico, os átomos e as moléculas nunca estão em repouso, movimentando-se contínua e aleatoriamente em qualquer direção, a menos que se encontrem no chamado zero absoluto (OºK ou -278ºC);
As moléculas irão se deslocar, saltando de um ponto a outro, sempre do local onde estão mais concentradas para os lugares em que se encontram menos concentradas;
Ao alcançarem a membrana que separa os dois compartimentos, em vista de a membrana ser permeável a elas, as moléculas vão passando para o compartimento de menor concentração movidas pela diferença de sua concentração entre ambos os compartimentos.
OBSERVAÇÃO
À medida que as moléculas se acumulam no compartimento II, algumas destas que estão próximas da membrana que separa os dois compartimentos, em seu movimento aleatório, podem ir do compartimento II para o I;
Nos momentos iniciais, a ida de I para II é muito maior que a de II para I;
Com o passar do tempo, a concentração das moléculas, em I, irá diminuindo e, ao contrário, em II, aumentando;
Consequência: a passagem de I para II irá se reduzindo, ao passo que a de II para I, crescerá, até que, quando se igualarem as concentrações da substância nos dois lados da membrana, o sistema estará em equilíbrio.
EQUILÍBRIO
Quando as concentrações de átomos ou moléculas se igualam nos dois compartimentos I e II, e os fluxos unidirecionais ficam iguais, o fluxo resultante será igual a zero;
Esta condição é designada equilíbrio;
A diferença de concentração entre os compartimentos I e II representa a força indispensável necessária para que ocorra o processo de difusão simples entre dois compartimentos;
O movimento é resultante da agitação térmica das moléculas e que, teoricamente, não acontece no zero absoluto.
PERMEABILIDADE DA MEMBRANA
Solubilidade da substância na membrana;
Carga elétrica da substância;
Diferença do gradiente de potencial químico que possa existir entre os dois compartimentos separados pela membrana;
Permeabilidade da membrana para a substância.
SOLUBILIDADE DA SUBSTÂNCIA NA MEMBRANA:
COEFICIENTE DE PARTIÇÃO
Membranas biológicas têm componentes lipídicos de natureza hidrofóbica;
A passagem de qualquer substância vai depender diretamente da natureza química da substância;
O coeficiente de partição de uma substância X em meios hidrofóbicos e hidrofílicos é um parâmetro que permite conhecer com que facilidade a substância se dissolve no meio hidrofóbico.
DIFUSÃO DE UMA SUBSTÂNCIA ATRAVÉS
DA BARREIRA LIPÍDICA
A presença ou não de proteínas transportadoras vai influenciar o coeficiente de permeabilidade de uma membrana biológica;
As proteínas facilitam a passagem de substâncias de um lado a outro da membrana;
Para atravessar a bicamada lipídica, uma molécula deve, primeiramente, passar pela zona das cabeças polares dos fosfolipídios e, depois, pelo meio hidrofóbico, onde se encontram as cadeias hidrocarbonadas.
OBSERVAÇÕES
Para atravessar a bicamada lipídica, uma molécula deve, primeiramente, passar pela zona das cabeças polares dos fosfolipídios e, depois, pelo meio hidrofóbico, onde se encontram as cadeias hidrocarbonadas;
Para que a molécula possa atravessar o meio hidrofóbico, deve ser rompido qualquer tipo de interação que ela tenha com a água do meio.
OBSERVAÇÕES
Em geral, qualquer substância pode difundir através de uma bicamada lipídica, com maior ou menor velocidade;
Quanto menores forem as moléculas da substância e maior seu coeficiente de partição na bicamada lipídica, maior será sua velocidade de difusão através da mesma.
EXEMPLO
Os gases compostos por pequenas moléculas não polares, como o oxigênio 32 Da e o dióxido de carbono 44 Da, difundem rapidamente pela bicamada lipídica;
Outras moléculas, como as do etanol 46 Da e as da ureia 60 Da, também difundem rapidamente através da bicamada.
EXEMPLO
Há outras moléculas, como as da glicose (180 Da), que dificilmente atravessam esta barreira;
As partículas carregadas eletricamente, como os íons, sofrem sérios problemas energéticos para poder atravessar o meio hidrofóbico da bicamada lipídica, independentemente do pequeno tamanho que possam ter;
Metabólitos celulares, os quais quase sempre têm cargas ou vários grupos hidrofílicos que formam pontes de hidrogênio com a água não conseguem atravessar a membrana.
FORÇAS ENVOLVIDAS NO TRANSPORTE DE
LÍQUIDOS ATRAVÉS DA MEMBRANA CELULAR
As membranas plasmáticas são barreiras que separam dois compartimentos: o espaço intracelular, ocupado pelo citoplasma, e o extracelular, pelo líquido extracelular;
O citoplasma e o líquido extracelular constituem duas soluções aquosas com diferentes composições.
OBSERVAÇÕES
Líquidos apolares, hidrofóbicos, de baixo peso molecular, como o etanol e o éter, podem permear facilmente as membranas celulares;
A água, requer a presença de canais de natureza proteica, nomeados aquaporinas, para atravessar eficientemente de um lado a outro das membranas, sem ter que passar pelo meio hidrofóbico;
O movimento hídrico é sempre passivo e ocorre de um lado a outro da membrana celular, seguindo seu gradiente de concentração.
OSMOSE
Quando duas soluções aquosas com diferentes concentrações de soluto estão separadas por uma membrana que só é permeável às moléculas de água, mas não às de soluto, as moléculas hídricas difundem da solução com menor concentração de soluto, para aquela com maior concentração;
As moléculas de água difundem da solução em que este fluido está mais concentrado, para aquela na qual ele se encontra menos concentrado;
É um movimento particular de difusão para a água, que depende de uma diferença de osmolaridade entre dois compartimentos separadospor uma membrana.
PRESSÃO OSMÓTICA
Em 1748, Jean Antoine Nollet, físico francês, utilizou uma bexiga de porco para separar dois compartimentos - um contendo água e outro, vinho;
Em seus experimentos, Nollet observou que no compartimento com vinho o volume aumentava e que, quando fechava esse compartimento para evitar que seu volume aumentasse, era produzida uma certa pressão em seu interior.
OBSERVAÇÃO
Foi a primeira observação experimental de osmose e a demonstração da existência de membranas biológicas semipermeáveis.
HISTÓRIA
Em 1828, Henri Dutrochet, fisiólogo francês, trabalhando com uma membrana semipermeável, verificou o mesmo fenômeno, ao colocar duas soluções de diferentes concentrações de um mesmo soluto de cada lado da membrana, a qual era impermeável ao soluto.
HISTÓRIA
Dutrochet observou que havia difusão do solvente, da solução com menor concentração de soluto para aquela com maior concentração;
Este fisiólogo foi quem construiu o primeiro dispositivo experimental para demonstrar a presença de pressão osmótica, denominado osmômetro.
PRESSÃO HIDROSTÁTICA
O peso da coluna de líquido, no osmômetro, ocasiona uma elevação de pressão em sentido contrário ao da pressão osmótica, chamada de pressão hidrostática;
Quando a pressão hidrostática se iguala à osmótica, cessa o fluxo osmótico.
HISTÓRIA
Em 1877, Wilhelm Pfeffer, botânico alemão, aperfeiçoou o osmômetro de Dutrochet, utilizando uma membrana semipermeável de vidro poroso com paredes recobertas por uma camada de ferrocianeto de cobre;
Pfeffer foi o primeiro pesquisador a realizar experimentos de precisão, determinando a pressão osmótica exercida por soluções de sacarose com diferentes concentrações.
CONCEITO
Ele verificou que existe uma relação constante entre a pressão osmótica exercida e a concentração da solução hipertônica;
Esses resultados permitiram que Pfeffer postulasse que: (a pressão osmótica exercida por uma solução é diretamente proporcional à concentração do seu soluto).
PRESSÃO OSMÓTICA VERSUS PRESSÃO HIDROSTÁTICA
Em geral, a pressão osmótica é definida em função da hidrostática necessária para deter o fluxo osmótico através de uma barreira impermeável ao soluto e livremente permeável ao solvente.
EXPERIMENTO
Um recipiente separado em dois compartimentos (I e II) por uma membrana semipermeável ideal;
Deixa passar livremente o solvente e tem total impermeabilidade ao soluto;
Em I, é colocado determinado volume de solvente, que pode ser água; em II, igual volume de uma solução com determinada concentração do soluto impermeável.
EXPERIMENTO
Nesta condição (A), haverá uma certa diferença de pressão osmótica entre os compartimento II e I;
Essa diferença produzirá fluxo de solvente de I para II.
EXPERIMENTO
Com o passar da tempo, condição (B), o aumento de volume no compartimento II ocasionará elevação da pressão hidrostática nesse compartimento, a qual se oporá ao fluxo de água de I para II;
Eventualmente, a pressão hidrostática se tornará igual à osmótica, porém em sentido contrário, alcançando-se um estado de equilíbrio, no qual o fluxo resultante de água entre os dois compartimentos será igual a zero.
EXPERIMENTO
em (C), é colocado um pistão no compartimento II, que exercerá uma pressão não permitindo variação do volume nesse compartimento;
A pressão exercida pelo pistão é igual à hidrostática desenvolvida em (B), sendo igual, porém em sentido contrário, à pressão osmótica desempenhada em (B).
EXPERIMENTO
Na condição (D) são colocados iguais volumes de água em ambos os compartimentos;
Evidentemente, não haverá fluxo hídrico para nenhum dos compartimentos;
Porém, se por meio do pistão for exercida uma pressão existirá fluxo de II para I, até que a coluna de água do compartimento I atinja uma altura semelhante à alcançada pela água do II em (B).
DIFERENÇA DE PRESSÃO OSMÓTICA
ENTRE DUAS SOLUÇÕES
Consideremos dois compartimentos separados por uma membrana semipermeável ideal;
No compartimento I, é colocada solução de sacarose 0,1 molar e, no II, de sacarose 0,2 molar;
A membrana deixa passar o solvente, que é água, porém não a sacarose;
Nestas condições, haverá fluxo hídrico do compartimento com solução de sacarose mais diluída (I) para o compartimento com solução mais concentrada (II), impulsionado pelo desenvolvimento de maior pressão osmótica no compartimento II.
OSMOLARIDADE E OSMOLALIDADE
Para expressar a concentração osmótica de uma solução, são utilizados os termos osmolaridade ou osmolalidade;
A osmolaridade é definida como: concentração das partículas osmoticamente ativas, expressas em osmoles/litro;
Quando é dito partículas de soluto osmoticamente ativas, faz-se referência às partículas que estão efetivamente dissolvidas no solvente e, em consequência, podem gerar pressão osmótica.
OBSERVAÇÃO
Tanto osmolaridade quanto osmolalidade refletem a concentração de partículas osmoticamente ativas na solução, sendo que a osmolaridade refere-se ao número de miliosmoles por litro de solução enquanto a osmolalidade refere-se ao número de miliosmoles por quilo de água;
Assim sendo, osmolaridade se relaciona a volume e osmolalidade a peso. 
OSMOLARIDADE E TONICIDADE
A osmolaridade de uma solução refere-se à concentração de suas partículas osmoticamente ativas;
Se duas soluções de diferentes solutos com a mesma osmolaridade, isto é, isosmolares, fossem colocadas em cada lado de uma membrana ideal para ambas as soluções, a pressão osmótica exercida por cada uma delas seria a mesma, e o sistema estaria, osmoticamente, em equilíbrio.
OBSERVAÇÕES
As membranas não são necessariamente ideais, podendo apresentar graus distintos de permeabilidade para os vários solutos;
EXPERIMENTO
Caso sejam colocadas duas soluções isosmolares de diferentes solutos em cada lado de uma membrana, sendo esta membrana impermeável ao soluto da solução I, porém tendo certo grau de permeabilidade ao da II, a pressão osmótica exercida pela solução I será maior que a exercida pela II, o que determinará um fluxo de solvente de II para I.
CONCLUSÃO
Tal descoberta levou ao conceito de tonicidade de uma solução;
A tonicidade é definida como a pressão osmótica efetiva de uma solução, em relação a uma determinada membrana;
Para definir a tonicidade de uma solução, é necessário sempre considerar uma membrana ou célula específica. 
CLASSIFICAÇÃO
Isotônicas;
Hipotônicas;
Hipartônicas
ISOTÔNICAS
Quando uma célula é suspensa em uma solução isosmolar determinada e não ocorre nenhuma variação do volume intracelular, esta solução é isotônica para essa célula.
HIPOTÔNICA
 Caso a célula seja suspensa em uma solução isosmolar e haja aumento do volume intracelular, a solução utilizada é hipotônica em relação ao líquido intracelular.
HIPERTÔNICO
Se a célula for suspensa em uma solução isosmolar e ocorrer uma diminuição do volume intracelular, esta solução é hipertônica para essa célula.
MOVIMENTO DE ÁGUA ATRAVÉS DA
MEMBRANA CELULAR
Considerando uma membrana semipermeável ideal, que separa duas soluções, a qual deixa passar sem restrição o solvente, neste caso água, impedindo a passagem do soluto:
A força envolvida no movimento hídrico através da membrana deriva da diferença da pressão hidrostática e a diferença de pressão osmótica entre as duas soluções que banham cada lado da membrana.
REFERÊNCIAS
AIRES, Margarida de Mello. Fisiologia. 4. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2012. 1352