Osmose e tonicidade. Soluções hipertônicas, isotônicas e hipotônicas e seu efeito sobre as células.

Introdução

Já se esqueceu de molhar uma planta por alguns dias e depois voltou para encontrar murcha, sua rúcula uma vez exuberante? Se já, então você já sabe que o equilíbrio hídrico é muito importante para as plantas. Uma planta murcha porque a água se move para fora de suas células diminuindo a pressão interna—chamada de pressão de turgor—que normalmente sustenta a planta.
Por que a água sai da célula? A quantidade de água fora das células diminui conforme a planta perde água, no entanto a quantidade de íons e outras partículas permanece a mesma no espaço exterior às células. Esse aumento na concentração do soluto, ou partículas dissolvidas, puxa a água das células para o espaço extracelular, em um processo conhecido como osmose.
Formalmente, osmose é o movimento da água através de uma membrana semipermeável, de um meio de mais baixa concentração de soluto para um meio de mais alta concentração de soluto. De primeira pode parecer estranho, já que geralmente falamos da difusão do solutos que estão dissolvidos na água e não propriamente do movimento da água. No entanto, a osmose é fundamental em vários processos biológicos e frequentemente ocorre ao mesmo tempo em que os solutos difundem-se ou são transportados. Aqui, vamos examinar em maior detalhe como a osmose funciona, além de seu papel no equilíbrio hídrico das células.

Como funciona

Por que a água se move de áreas onde os solutos são menos concentrados para áreas onde são mais concentrados?
Na verdade, essa é uma questão complicada. De forma a respondê-la, vamos voltar atrás e refrescar nossas memórias sobre o porquê de acontecer a difusão. Na difusão, as moléculas se movem de uma região de alta concentração para outra de baixa concentração—não que sejam conscientes de seus arredores, mas simplesmente por resultado das probabilidades. Quando uma substância está na forma de gás ou líquido, suas moléculas estarão em movimento constante e aleatório, saltando e deslizando umas sobre as outras. Se há muitas moléculas de uma substância no compartimento A e nenhuma molécula da substância no compartimento B, então é bastante improvável—impossível, na realidade—que uma molécula mova-se aleatoriamente de B para A. Por outro lado, é extremamente provável que uma molécula mova-se de A para B. Podemos imaginar todas aquelas moléculas agitadas no compartimento A e algumas delas saltando para o compartimento B. Portanto, o movimento das moléculas ocorre de A para B e assim será até as concentrações se tornarem iguais.
No caso da osmose, pode-se mais uma vez imaginar moléculas—desta vez, moléculas de água—em dois compartimentos separados por uma membrana. Se nenhum dos compartimentos contiver soluto, então as moléculas de água terão probabilidades iguais de se moverem em ambas as direções entre os compartimentos. Contudo, se adicionarmos soluto em um dos compartimentos, isto afetará a probabilidade de as moléculas de água se moverem para fora desse compartimento e para dentro do outro—especificamente isto reduzirá a probabilidade.
Por que é assim? Existem algumas diferentes explicações que cabem aqui. Aquela que parece ter o melhor apoio científico envolve moléculas do soluto ricocheteando na membrana e fisicamente deslocando as moléculas de água para trás, tornando-as menos propensas a atravessar a membrana.1,2^{1,2}.
Independentemente dos mecanismos exatos envolvidos, o ponto principal é que quanto mais soluto contido na água, menos apta a atravessar a membrana até um compartimento adjacente ela será. Isso resulta em um fluxo de água de regiões de baixa concentração de soluto para regiões de maior concentração de soluto.
Ilustração da osmose. Um béquer é dividido na metade por uma membrana semi-permeável. Na imagem da esquerda - início, o nível da água é igual em ambos os lados, mas há menos partículas de soluto no lado esquerdo do que no direito. Na imagem da direita - final, houve um movimento resultante da água da área de menor para a área de maior concentração de soluto. O nível da água no lado esquerdo é agora menor do que o nível da água no lado direito e as concentrações de soluto nos dois compartimentos são mais semelhantes.
Crédito da imagem: OpenStax Biology
Esse processo é ilustrado no exemplo do béquer acima, no qual haverá fluxo de água do compartimento da esquerda para o compartimento da direita até que as concentrações de soluto estejam próximas do equilíbrio. Note que nesse caso elas não ficarão perfeitamente iguais pois a pressão hidrostática exercida pela coluna elevada de água à direita se opõe à pressão osmótica criando um equilíbrio que não é suficiente para ter concentrações iguais.

Tonicidade

A capacidade de uma solução extracelular de fazer a água mover-se para dentro ou para fora de uma célula por osmose é chamada de tonicidade. A tonicidade de uma solução está relacionada à sua osmolaridade, que é a concentração total de todos os solutos na solução. Uma solução de baixa osmolaridade tem menos partículas de soluto por litro de solução, enquanto uma solução de alta osmolaridade tem mais partículas de soluto por litro de solução. Quando soluções de diferentes osmolaridades são separadas por uma membrana permeável à água, mas não ao soluto, a água se moverá do lado com menor osmolaridade para o lado com maior osmolaridade.
Os três termos — hipotônico, isotônico e hipertônico — são usados para comparar a osmolaridade de uma célula com a osmolaridade do fluido extracelular ao seu redor.
Nota: Quando usamos estes termos, estamos considerando apenas solutos que não podem passar pela membrana.
  • Se o fluido extracelular tem osmolaridade menor do que o fluido dentro da célula, ele será hipotônicohipo significa menos que — em relação à célula, e o fluxo resultante de água será para dentro da célula.
  • No caso contrário, se o fluido extracelular tem uma osmolaridade maior do que o citoplasma da célula, ele será hipertônicohiper significa maior do que — em relação à célula e a água deixará a célula para a região de maior concentração de soluto.
  • Numa solução isotônicaiso significa igual — o fluido extracelular tem a mesma osmolaridade que a célula, e não haverá movimento resultante da água para dentro ou fora da célula.
Hipotônico, hipertônico e isotônico são termos relativos. Isto é, eles descrevem como uma solução se compara à outra em termos de osmolaridade. Por exemplo, se o fluido dentro da célula tem uma osmolaridade, concentração de soluto, maior do que o fluido extracelular, o interior da célula é hipertônico em relação ao fluido extracelular e este é hipotônico em relação ao interior da célula.

Tonicidade em sistemas vivos

Se uma célula é colocada em uma solução hipertônica, a água sairá da célula, e esta irá encolher. Em um ambiente isotônico, as concentrações relativas de soluto e água são iguais dos dois lados da membrana. Não há movimento resultante de água, portanto não há mudança no tamanho da célula. Quando uma célula é colocada em um meio hipotônico, a água entrará na célula, e a célula inchará.
Imagem de hemácias em solução hipertônica (enrugadas), solução isotônica (normais) e hipotônicas (inchadas e rompendo-se).
Crédito da imagem: Mariana Ruiz Villareal
No caso de uma hemácia, as condições isotônicas são ideais, e o organismo tem sistemas homeostáticos (manutenção da estabilidade) para assegurar que essas condições permaneçam constantes. Se colocada em uma solução hipotônica, a hemácia incha e pode explodir, enquanto que em uma solução hipertônica, ela murcha— tornando o citoplasma denso e concentrado — e pode morrer.
No caso de uma célula vegetal, no entanto, uma solução hipotônica extracelular é ideal. A membrana plasmática só pode expandir até o limite da parede celular rígida, assim a célula não vai estourar ou sofrer lise. De fato, o citoplasma em plantas é geralmente um pouco hipertônico em relação ao meio celular, e água vai entrar na célula até sua pressão interna — pressão de turgor — impedir o influxo adicional.
Manter esse equilíbrio de água e solutos é muito importante para a saúde da planta. Se uma planta não é regada, o fluido extracelular se tornará isotônico ou hipertônico, fazendo com que a água deixe as células da planta. Isso resulta na perda da pressão de turgor, que você provavelmente já viu em uma planta murchando. Sob condições hipertônicas, a membrana celular pode se descolar da parede e comprimir o citoplasma, um estado chamado plasmólise (painel esquerdo abaixo).
Imagem de uma célula de planta sob condições hipertônicas (plasmolisada/enrugada), condições isotônicas (não completamente cheia, não totalmente pressionada contra a parede da célula), e condições hipotônicas (firmemente pressionada contra a parede celular, estado normal).
Crédito da imagem: OpenStax Biology, modificação do trabalho de Mariana Ruiz Villareal
A tonicidade é uma preocupação para todos as coisas vivas, particularmente aquelas que não têm paredes celulares rígidas e vivem em meios hiper- ou hipotônico. Por exemplo, paramécios — mostrados abaixo — e amebas, que são protistas que não possuem paredes celulares, podem ter estruturas especializadas chamadas de vacúolos contráteis. Um vacúolo contrátil coleta o excesso de água da célula e bombeia para fora, evitando que a célula se rompa conforme ela absorve água de seu meio hipotônico.
Imagem microscópica de um paramécio, mostrando seus vacúolos contráteis.
Crédito da imagem: OpenStax Biology, modificação do trabalho de National Institutes of Health (NIH), scale-bar data from Matt Russell

Créditos

Este artigo foi adaptado de “Passive transport” by OpenStax College, Biology, CC-BY 3.0. Baixe o artigo original de graça de http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9.85:24/Biology.
O artigo adaptado está autorizado sob a licença CC BY-NC-SA 4.0
##Trabalhos citados: 2. Kramer, Eric M., and David R. Myers. "Five Popular Misconceptions about Osmosis." American Journal of Physics 80, no. 8 (2012): 698, http://dx.doi.org/10.1119/1.4722325.
  1. "Osmosis." Wikipedia. June 21, 2015. Acesso em 21 de agosto de 2015. https://en.wikipedia.org/wiki/Osmosis.

Outras referências

Kramer, Eric M., and David R. Myers. "Five Popular Misconceptions about Osmosis." American Journal of Physics 80, no. 8 (2012): 694-99. http://dx.doi.org/10.1119/1.4722325.
"Osmosis." Wikipedia. June 21, 2015. Acesso em 21 de agosto de 2015. https://en.wikipedia.org/wiki/Osmosis.
Reece, J. B., L. A. Urry, M. L. Cain, S. A. Wasserman, P. V. Minorsky, and R. B. Jackson. "Membrane Structure and Function." In Campbell Biology, 124-40. 10th ed. San Francisco, CA: Pearson, 2011.
Raven, P. H., G.B. Johnson, K. A. Mason, J. B. Losos, and S. R. Singer. "Membranes." In Biology, 88-106. 10th ed. AP ed. New York, NY: McGraw-Hill, 2014.
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