Osmoz (Geçişme) Olayı (Osmose, Osmosis)

Osmoz (Geçişme) Olayı (Osmose, Osmosis)
Osmoz (Alm. Osmose, Fr. Osmose, İng. Osmosis, osmose), bir sıvının, yarı geçirgen (semipermeabl) bir zardan geçmesi; [1] yani çözücü maddelerin az yoğun ortamdan çok yoğun ortama, seçici geçirgen bir zardan enerji harcanmadan geçişi [2] olayına verilen addır.

Yoğunlukları(veya konsantrasyonları) farklı olan iki çözelti, birbirinden yarı geçirgen bir zarla ayrıldıklarında, iki tarafın yoğunluklarını denge hâline getirmek için, zar içinden bâzı iyon veya moleküller, bir taraftan diğer tarafa geçerler. Meselâ, bir kap yarı geçirgen bir zarla iki kısma bölünüp bir tarafa boyalı su, diğer tarafa da şekerli su konsa, biraz sonra renkli suyun zardan geçerek şekerli suya karıştığı görülür. Bu, osmoza bir misâldir. Şeker (sükroz) molekülleri, zardan geçemeyecek kadar büyük oldukları için kendi bölgelerinde kalır. Osmozda esas geçiş, daha seyreltik olan çözeltiden (veya saf çözücüden) daha konsantre olan çözeltiye doğru olur. Osmoz, fiziksel bir olay olup özel bir difüzyon şeklidir. Biyolojide yarı geçirgen bir zardan suyun difüzyonuna “osmoz” denir.[1]

Canlı sistemlerde çözücü madde su olduğu için, biyoloji biliminde osmoz terimi ile kastedilen, suyun az yoğun ortamdan çok yoğun ortama seçici geçirgen bir zardan enerji harcanmadan geçişidir. Bu tanımda, seçici geçirgen zardan kasıt, çözünenleri geçirmeyen fakat çözücüleri geçiren bir zardır. Süzgeç gibi davranan zar, küçük moleküllerin kolayca geçmelerine olanak verirken büyük moleküllerin geçişini engeller. Yoğunluğu daha az olan taraftaki sıvı moleküllerinin, yoğunluğu yüksek tarafa geçmeleri, zarın iki tarafındaki yoğunlukların dengelenmesine yardımcı olur.

Canlı bir hücre, konsantrasyonu hücre sitoplazmik konsantrasyonundan daha düşük hipotonik bir ortama konulduğunda, ortamdan hücre içine, hücre zarı vasıtası ile su geçişi, bir başka deyişle osmoz gerçekleşir. Bu geçiş, hücrenin sitoplazmik konsantrasyonu, hipotonik çözeltinin konsantrasyonuna seyrelinceye kadar devam eder. Hipotonik çözeltilerde hayvan hücreleri şişer, bitki hücreleri ve hücre duvarı bulunan diğer hücreler ise şişmez. Eğer, bir hayvan hücresi, hipotonik çözeltinin konsantrasyonunun çok düşük olması sebebiyle çok fazla su alırsa, hücre zarının esnekliği yeterli olmaz ve hücre patlayabilir. Canlı bir hücre, konsantrasyonu hücre sitoplazmik konsantrasyonundan daha yüksek hipertonik bir ortama konulduğunda, hücre içinden ortama, hücre zarı vasıtası ile su geçişi, başka deyişle osmoz gerçekleşir. Bu geçiş, hücrenin sitoplazmik konsantrasyonu, hipotonik çözeltinin konsantrasyonuna yükselinceye kadar devam eder. Bu durumda, su kaybından dolayı hücrelerin hacimleri küçülür ve büzülürler.

Canlı bir hücre, konsantrasyonu hücre sitoplazmik konsantrasyonu ile aynı olan izotonik bir ortamda iken, hücre içi ile ortam arasında konsantrasyon dengesi sağlanmış demektir. Bu durumda, hücre zarından su geçişi, başka deyişle osmoz gerçekleşmez. Yani hücre içindeki su miktarı aynı kalır. Pasif taşıma sırasında ATP harcanmaz. Canlı ve cansız ortamda gerçekleşebilir. Küçük moleküllerin geçişidir.[2]




Ters Osmoz
Osmoz süreci, iki farklı sıvı veya iki değişik derişimli sıvı arasına bir membran yerleştirilerek sadece çözgen moleküllerinin geçmesine izin veren bir süreçtir. Membranın her iki tarafında kimyasal potansiyel eşit olduğunda difüzyon durur. Böylece osmoz süreci sona erer. Osmoz sürecinin göstergesi, "osmotik basınç"tır. Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, uygulanan basınç ile çözgen geçişi sağlanabilir.



Osmotik basınç, sadece çözeltinin bir özelliğidir. Kullanılan membran yarı geçirgendir. Bu nedenle osmotik basınç, çözelti ve saf çözgenin yapısı arasında gerçek farkın bir ölçüsü olarak dikkate alınmalıdır. Membranın bir kesimindeki çözeltideki osmotik basınç arttırılırsa akış ters çevrilir. O zaman saf çözgen çözelti içine geri dönecektir. Bu olay su ve atıksuyun arıtılmasında "ters osmoz"un temelini oluşturur. Ters osmoz, filtrasyona bir dereceye kadar benzer. Süreç hiperfiltrasyon olarak da adlandırılmıştır. Fakat aralarında bazı önemli farklar vardır;

Adi filtrasyonda çok küçük olan osmotik basınç ters osmozda aşırı derecede önemli rol oynar,
Düşük su içeriğine sahip filtre keki, çözeltinin osmotik basıncı çözgen azalması ile arttığından dolayı ters osmoza uygulanamaz ve
Ayırıcı filtreler öncelikle hacim esası üzerinde çalışır, fakat desalinasyonun yarı geçirgen ters osmoz membranları diğer faktörlere de önemli ölçüde bağlıdır.[3]

Osmotik Basınç
Belirli bir yoğunluğu olan her çözeltinin saf suyla ilişkiye girmesi halinde, ilişkiye geçtiği saf suyu emebilmesi için aktif olan bir değeri vardır. Bu değere o çözeltinin "osmotik değeri" denir. Osmoz olayları sırasında bizzat iş gören osmotik değere "osmotik basınç" denir. Osmotik basınç, belirli bir hacim çözücü içinde çözünmüş madde moleküllerinin sayısıyla yani konsantrasyonuyla doğru orantılıdır.[4]

Su içinde çözünmüş maddelerin hareketi, gaz moleküllerinin hareketi gibidir. İşte bu tâneciklerin çözücü moleküllerinden ayrı olarak bulundukları kaba yaptıkları kısmî baskıya osmotik baskı adı verilir. Bir çözelti yarı geçirgen bir zarla çevrildiğinde, çözücü molekülleri zardan serbestçe geçer, fakat çözünmüş madde molekülleri geçmez ve zara tıpkı gaz molekülleri gibi bir baskı yapar. Eğer yarı geçirgen zar esnek ise çözünmüş madde tanecikleri tıpkı bir gazın balonu şişirmesi gibi zarı şişirir. İşte osmotik basınç adı verilen bu basıncın kantitatif incelenmesi J.H. Vant Hoff tarafından yapılmış ve ideal, yâni seyreltik çözeltilerde gaz kânunlarına uyduğu tespit edilmiştir. V hacim, T mutlak sıcaklık, n mol sayısı ve R gaz sâbiti olmak üzere, osmotik basınç, P;

P= nRT / V

denklemiyle bulunur. Çözeltinin, osmotik baskısı ölçülerek molaritesi ve buradan çözünmüş maddenin molekül tartısı tâyin edilebilir (gazlarda olduğu gibi). Nitekim hemoglobinin 68.000 olan molekül tartısı ilk defâ, osmotik basınç ölçülmesiyle tâyin edilmiştir.

Osmotik basınç, çözücü moleküllerin durumlarını tâkip etmekle de açıklanabilir. Bilindiği gibi su molekülleri de devamlı kinetik hareketler yaparlar ve yarı geçirgen zardan içeri doğru geçerek çözelti içine doğru durmadan geçerler. Saf çözücüde zardan geçerek çözelti içine diffüze olan moleküllerin sayısı, çözeltiden saf çözücüye geçen moleküllerin sayısından daha fazladır. Bir başka ifâdeyle, saf çözücüden zarı geçen su moleküllerinin diffüzyon basıncı, çözeltiden geçen su moleküllerinin diffüzyon basıncından büyüktür. Çünkü çözelti içinde çözücü, çözünen madde ile seyreltilmiş durumdadır. Diffüzyon basıncı farkı (DP), osmotik basınca eşittir.[1]

Osmotik basınç, konsantrasyon ve mutlak sıcaklık ile orantılıdır.

P OSMOTIK = ( n / V M ) ( R ) ( T )

Burada; n: mol sayısı, V M: molar hacim, R: ideal gaz sabiti ve T: mutlak sıcaklık.

Bu eşitlik sadece seyreltik çözeltiler için geçerlidir. Daha derişik çözeltiler için, yukarıdaki denklem osmotik basınç katsayısı ( KOSMOTİK ) ile düzeltilmelidir.

P OSMOTIK = ( K OSMOTIK ) ( n / V M ) ( R ) ( T )

Robinson ve Stokes, pek çok elektrolit için osmotik basınç katsayılarını gösteren bir cetvel düzenlemişlerdir. Pek çok elektrolit için 1'den küçüktür ve genellikle derişim artışı ile azalır. Böylece, seyreltik çözeltiler için bulunan osmotik basınç genellikle gözlenenden daha yüksek basınç değerleri verir. Osmotik basınç doğrudan hesaplanabileceği gibi, donma noktası alçalmasından veya buharlaşma basıncı düşüşünden de hesaplanabilir. Van't Hoff'un "eriyik bombardımanı" teorisi, ideal gaz yasası ve osmotik basınç denklemi arasındaki analog üzerine kurulmuştur. Van't Hoff'un yarı geçirgen membranla eriyik moleküllerinin çarpışmasından oluşan osmotik basıncı dikkate almış ve çözgen moleküllerinin bir etkisi olmadığını kabul etmiştir. Bu modele göre, çözeltinin osmotik basıncı, ideal gaz eğer çözelti ile aynı hacmi kaplıyorsa ideal gazın basıncına eşittir. Buna, çözgen moleküllerinin hiçbir etkisi olmadığına, membran ile sürekli olarak temas halinde olduklarından dolayı itiraz edilebilir. Osmoz olayının değişik bir açıklaması, çözgen moleküllerinin dikkate alınması ile yapılmıştır. Buna göre, osmoz ve osmotik basınç çözgen molekülleri ile yarı geçirgen membranın farklı bombardımanı sonucu oluşur. Eriyik molekülleri, eşit olmayan bombardımana neden olur ve çözgen basıncındaki farklılık eriyik miktarının artması ile artar. Ters osmoz membranı ultrafiltrasyonda olduğu gibi bir elek rolü oynamaktadır. Hassler, temeli, membran karşısına çözgen damıtılmasına dayanarak çalışan bir desalinasyon sistemi geliştirmiştir. Selüloz asetat desalinasyon membranları çözelti difüzyon mekanizması işleyişi ile görev görür. Bu membranlar arasına akan su ve tuz basit bağımsız homojen difüzyon denklemleri ile açıklanır. Günümüzde ters osmoz membranları için kuramsal gelişmeler bu modeller üzerine kurulmuştur.[3]




Turgor Basıncı
Turgor basıncı ya da turgor, bitki hücrelerinin saf suya konmasıyla içine su alarak, şişmesi ve hücrenin çeperine basınç yapması olayına denir.

Bir bitki hücresi saf suya konduğu zaman içine bir miktar su alır ve şişer. Hücre özsuyunun yüksek osmotik konsantrasyonundan dolayı dış ortamdaki su, hücre içine doğru hareket eder ve içeri giren su molekülleri hücre zarını dışarı yani hücre çeperine doğru bir basınçla iter. Bu basınca "Turgor basıncı" (T.B) ya da "Hidrosostatik basınç" denir.

Turgor basıncı, suyun içeri girişine engel olmaya çalışan bir kuvvettir.[5]

Canlı Hücrelerde Osmoz
Canlı bir hücrenin kendi içindeki maddelere göre daha yoğun tuz ihtivâ eden bir çözeltiye konduğu düşünülürse, böyle bir durumda hücre içinde birim hacimde bulunan su molekülü sayısı, hücre dışında aynı birim hacimde bulunan su molekülü sayısından daha fazla olduğundan, su, hücrenin içinden hücrenin dışına doğru hareket edecektir. Böyle bir olayda suyun hareketi doğrudan doğruya tespit edilemez. Fakat olay mikroskop altında incelenirse, su kaybı sonucu, hücrenin yavaş yavaş büzülüp küçüldüğü görülür. Bunun aksine olan olayı, bir damla kanı damıtık suya koyarak mikroskop altında incelemekle görmek mümkündür. Normal olarak alyuvarlar az da olsa, bir miktar tuz taşırlar. Damıtık su ise tuzdan arınmıştır. Böyle bir durumda, suyun hareketi zarın dışından zardan içeriye(hücrenin içine) doğru olacaktır. Neticede hücreler şişecek ve iç basınç çok artarsa zar patlayacaktır. Hücreler kendi normal çevreleri içinde bulundukları zaman iç ve dış çevrelerindeki maddelerin konsantrasyonu arasında o kadar büyük bir fark yoktur. Normal şartlar altında hücrelerde osmoz görülür, fakat hücreleri parçalayacak derecede şiddetli bir iç basınç olmaz.

Bir hücre çok yoğun bir çözelti içerisine bırakılacak olursa, su moleküllerinin hücre içerisinden dışarıya doğru hareketiyle protoplazma çeperden ayrılarak büzülür. Bu olaya plazmoliz denir. Eğer bir hücre uzun müddet plazmoliz hâlinde tutulursa ölür. Henüz ölmeden saf su içine bırakılırsa, bu durumda su hücreye girer ve hücre eski hâline döner. Buna da deplazmoliz denir.

Osmozun özellikle biyokimyâda önemi çok büyüktür. Kan ve lenfin osmotik baskısı dâimâ sâbittir. Bu değer, %0,9'luk bir NaCl (Sodyum klorür) çözeltisinin osmotik baskısına eşittir ve %0,9'luk NaCl çözeltisine, serum fizyolojik veya isotonik çözelti denir. Kırmızı kan yuvarları saf su ile işleme sokulursa, osmozdan dolayı derhal şişer ve patlar (hemoliz).[1]

Osmosis (English Language)
Osmosis is the diffusion of water down its concentration gradient. Normally one thinks of water as the solvent, and focuses on the concentration of the solutes, but water itself has a concentration in any solution. Pure water has a molecular weight of 18 grams/mole, so its concentration is approximately 55 Molar! Solutes take up space that would otherwise have been occupied by water in a solution, and they also associate with a number of the water molecules, further lowering its activity (effective concentration). The following demonstration simulates the process of dissolving a solute in water. Watch what happens to the concentration of free water as you use the chooser menu to increase the number of solute particles.

The other critical component for osmosis is a barrier that permits water to cross, but holds back some or all of the solutes. Under these conditions, a gradient in solute concentration means that there is also a gradient in the free water concentration (the other way!). The following demo illustrates this process. The demonstration above shows the membrane moving (and the volume changing) as water moves. This is just what would occur between two flexible compartments that always had equal hydrostatic pressure. Cells behave this way, as will be discussed below

As we have also seen, hydrostatic pressure can also cause water to move. When pressure is applied against the direction of osmotic movement, then the osmotic flow will be slowed or even reversed. When the pressure is just enough to stop the osmotic flow an equilibrium is reached. This pressure, by definition, is called the "Osmotic Pressure" of a solution.[6]

Large quantities of water molecules constantly move across cell membranes by simple diffusion, but, in general, net movement of water into or out of cells is negligible. For example, it has been estimated that an amount of water equivalent to roughly 250 times the volume of the cell diffuses across the red blood cell membrane every second; the cell doesn't lose or gain water because equal amounts go in and out.

There are, however, many cases in which net flow of water occurs across cell membranes and sheets of cells. An example of great importance to you is the secretion of and absorption of water in your small intestine. In such situations, water still moves across membranes by simple diffusion, but the process is important enough to warrant a distinct name - osmosis. Osmosis is the net movement of water across a selectively permeable membrane driven by a difference in solute concentrations on the two sides of the membrane. A selectively permiable membrane is one that allows unrestricted passage of water, but not solute molecules or ions.

Different concentrations of solute molecules leads to different concentrations of free water molecules on either side of the membrane. On the side of the membrane with higher free water concentration (i.e. a lower concentration of solute), more water molecules will strike the pores in the membrane in a give interval of time. More strikes equates to more molecules passing through the pores, which in turn results in net diffusion of water from the compartment with high concentration of free water to that with low concentration of free water.

The key to remember about osmosis is that water flows from the solution with the lower solute concentration into the solution with higher solute concentration. This means that water flows in response to differences in molarity across a membrane. The size of the solute particles does not influence osmosis. Equilibrium is reached once sufficient water has moved to equalize the solute concentration on both sides of the membrane, and at that point, net flow of water ceases.[7]

Diffusion and Osmosis
Diffusion refers to the process by which molecules intermingle as a result of their kinetic energy of random motion. Consider two containers of gas A and B separated by a partition. The molecules of both gases are in constant motion and make numerous collisions with the partition. If the partition is removed as in the lower illustration, the gases will mix because of the random velocities of their molecules. In time a uniform mixture of A and B molecules will be produced in the container.

The tendency toward diffusion is very strong even at room temperature because of the high molecular velocities associated with the thermal energy of the particles.

If two solutions of different concentration are separated by a semi-permeable membrane which is permeable to to the smaller solvent molecules but not to the larger solute molecules, then the solvent will tend to diffuse across the membrane from the less concentrated to the more concentrated solution. This process is called osmosis.

Osmosis is of great importance in biological processes where the solvent is water. The transport of water and other molecules across biological membranes is essential to many processes in living organisms. The energy which drives the process is usually discussed in terms of osmotic pressure.[8]

Factors
Osmotic pressure
As mentioned before, osmosis may be opposed by increasing the pressure in the region of high solute concentration with respect to that in the low solute concentration region. The force per unit area, or pressure, required to prevent the passage of water through a selectively-permeable membrane and into a solution of greater concentration is equivalent to the osmotic pressure of the solution, or turgor. Osmotic pressure is a colligative property, meaning that the property depends on the concentration of the solute but not on its identity.

Increasing the pressure increases the chemical potential of the system in proportion to the molar volume (δμ = δPV). Therefore, osmosis stops when the increase in potential due to pressure equals the potential decrease from N/A Correction need to be affected on given incorrect equations

Osmotic gradient
The osmotic gradient is the difference in concentration between two solutions on either side of a semipermeable membrane, and is used to tell the difference in percentages of the concentration of a specific particle dissolved in a solution.

Usually the osmotic gradient is used while comparing solutions that have a semipermeable membrane between them allowing water to diffuse between the two solutions, toward the hypertonic solution(the solution with the higher concentration). Eventually, the force of the column of water on the hypertonic side of the semipermeable membrane will equal the force of diffusion on the hypotonic (the side with a lesser concentration) side, creating equilibrium. When equilibrium is reached, water continues to flow, but it flows both ways in equal amounts as well as force, therefore stabilizing the solution.[9]

Osmotic Pressure
Osmosis is a selective diffusion process driven by the internal energy of the solvent molecules. It is convenient to express the available energy per unit volume in terms of "osmotic pressure". It is customary to express this tendency toward solvent transport in pressure units relative to the pure solvent.

If pure water were on both sides of the membrane, the osmotic pressure difference would be zero. But if normal human blood were on the right side of the membrane, the osmotic pressure would be about seven atmospheres! This illustrates how potent the influence of osmotic pressure is for membrane transport in living organisms.

The decision about which side of the membrane to call "high" osmotic pressure is a troublesome one. The choice made here is the opposite of that made in many biology texts, which attribute "high" osmotic pressure to the solution and zero osmotic pressure to pure water. The rationale for the choice is that the energy which drives the fluid transfer is the thermal energy of the water molecules, and that energy density is higher in the pure solvent since there are more water molecules. The thermal energy of the solute molecules does not contribute to transport, presuming that the membrane is impermeable to them. The choice is also influenced by the observed direction of fluid movement, since under this choice the fluid transport is from high "pressure" to low, congruent with normal fluid flow through pipes from high pressure to low. The final rationale has to do with the measurement of osmotic pressure by determining how much hydrostatic pressure on the solution is required to prevent the transport of water from a pure source across a semi-permeable membrane into the soluton. A positive pressure must be exerted on the solution to prevent osmotic transport, again congruent with the concept that the osmotic pressure of the pure solvent is relatively "high".

Nevertheless, the dialog continues on this issue since the discussion of osmosis is most relevant to the biological and life sciences and perhaps the logic stated above should yield to the conventions of the field in which the phenomena are most relevant.