Osmose e tonicidade

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.

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.${}^{1,2}$‍.

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.

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.

A osmolaridade descreve a concentração total de solutos em uma solução. Uma solução com baixa osmolaridade tem menos partículas de soluto por litro de solução, ao passo que uma solução com alta osmolaridade tem mais partículas de soluto por litro de solução. Quando soluções com osmolaridades diferentes são separadas por uma membrana permeável à água, mas não ao soluto, a água se move do lado com menor osmolaridade para o lado com maior osmolaridade.

Três termos—hiperosmótico, hiposmótico e isosmótico—são usados para descrever osmolaridades relativas entre soluções. Por exemplo, ao comparar duas soluções que têm osmolaridades diferentes, diz-se que a solução com maior osmolaridade é hiperosmótica em relação à outra, e que a solução com menor osmolaridade é hiposmótica. Se duas soluções têm a mesma osmolaridade, elas são consideradas isosmóticas.

Em ambientes hospitalares e laboratórios de biologia, com frequência é útil pensar sobre como soluções afetarão a entrada e a saída de água das células. A capacidade de uma solução extracelular de fazer a água se mover para dentro e para fora de uma célula por osmose é conhecida como tonicidade. A tonicidade é um pouco diferente da osmolaridade porque leva em consideração as concentrações relativas de soluto e também a permeabilidade da membrana celular a esses solutos.

Três termos — hipertônico, hipotônico e isotônico — são usados para descrever se uma solução fará a água entrar ou sair de uma célula:

Se uma célula for colocada em uma solução hipertônica, haverá um fluxo resultante de água para fora da célula, e a célula perderá volume. Uma solução será hipertônica a uma célula se sua concentração de soluto for maior que aquela dentro da célula, e os solutos não puderem atravessar a membrana.

Se uma célula for colocada em uma solução hipotônica, haverá um fluxo resultante de água para dentro da célula, e a célula ganhará volume. Se a concentração de soluto fora da célula for menor que aquela dentro da célula, e os solutos não puderem atravessar a membrana, então essa solução será hipotônica à célula.

Se uma célula for colocada em uma solução isotônica, não haverá fluxo resultante de água para dentro nem para fora da célula, e o volume da célula permanecerá estável. Se a concentração de soluto fora da célula for igual àquela dentro da célula, e os solutos não puderem atravessar a membrana, então essa solução será isotônica à célula.

Se uma célula for colocada em uma solução hipertônica, a água sairá da célula e a célula encolherá. Em um meio isotônico, não há movimento resultante de água, portanto, não haverá alteração no tamanho da célula. Quando uma célula for colocada em um meio hipotônico, a água entrará na célula, e a célula inchará.

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).

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.