ĆWICZENIE II Osmoza

Potencjał wody komórki (Ψw) Ψw = ΨP + ΨΠ + Ψm [MPa]

– różnica między potencjałem chemicznym wody w wakuoli i potencjałem chemicznym czystej wody. Potencjał wody w komórce i siła ssąca komórki mają tę samą wartość, ale przeciwny znak:

Ψ komórki = -S

O wartości potencjału wody w komórce decydują trzy siły:

Ciśnienie hydrostatyczne ΨP – wyższe od atmosferycznego – podwyższa potencjał wody w komórce. Wśród zjawisk wpływających na ciśnienie hydrostatyczne najczęściej mamy do czynienia z turgorem.

Siły osmotyczne – zmniejszają energię swobodną wody – potencjał osmotyczny ΨΠ ma wartość ujemną.

Siły matrycowe (np. pęcznienie) Ψm – zmniejszają energię swobodną wody – mają wartość ujemną.

W uproszczeniu potencjał wody komórki Ψw (siła ssąca komórki -S) zależy od ciśnienia osmotycznego (potencjału osmotycznego) Π komórki oraz od Ciśnienia hydrostatycznego (turgoru) T. Zależności pomiędzy wymienionymi parametrami opisuje wykres:

Wynika z niego, że:

-W punkcie A komórkę charakteryzuje największa siła ssąca. Komórka znajduje się w stanie plazmolizy. Posiada najmniejszą objętość, zerowy turgor przy czym siła ssąca jest równa ciśnieniu osmotycznemu.

-Pobieranie wody przez komórkę powoduje wzrost jej objętości, wzrost turgoru i zmniejszanie siły ssącej komórki z równoczesnym obniżeniem jej ciśnienia osmotycznego (ze względu na wzrost objętości)

-W punkcie B komórka ma maksymalny turgor, największą objętość i najmniejsze ciśnienie osmotyczne, a siłę ssącą (całej komórki) równą zeru.

Osmoza - dyfuzja cząsteczek rozpuszczalnika, np. wody przez membranę półprzepuszczalną, np. błonę komórkową oddzielającą dwa roztwory różniące się potencjałami chemicznymi. Różnica potencjałów chemicznych wynika z różnicy składu (stężenia) roztworów. Jeżeli pomiędzy takimi roztworami istnieje różnica potencjałów chemicznych, pojawia się wówczas proporcjonalne do niej tzw. ciśnienie osmotyczne, π, które wymusza przepływ cząsteczek przez membranę a czasami może spowodować jej zniszczenie (np. błona komórkowa może zostać rozerwana gdy komórka umieszczona jest w czystej wodzie: błona komórkowa nie przepuszcza jonów soli na zewnątrz, a więc jedyną możliwość wyrównania potencjałów chemicznych jest rozcieńczenie zawartości komórki do poziomu otaczającego ośrodka poprzez "pompowanie" do komórki cząsteczek wody).

Odwrócona osmoza, odwrotna osmoza (ultrafiltracja) to przepływ cząsteczek rozpuszczalnika przez membranę półprzepuszczalną od roztworu o wysokim stężeniu do roztworu o niższym stężeniu, odwrotnie niż w osmozie, spowodowany przyłożeniem do cieczy o wysokim stężeniu ciśnienia większego niż ciśnienie osmotyczne.

Ciśnienie osmotyczne (potencjał osmotyczny) π - różnica ciśnień wywieranych na półprzepuszczalną membranę przez dwie ciecze, które ta membrana rozdziela. Przyczyną pojawienia się ciśnienia osmotycznego jest różnica stężeń związków chemicznych lub jonów w roztworach po obu stronach membrany i dążenie układu do ich wyrównania.

Kontaktujące się roztwory mają termodynamiczną tendencję do wyrównywania stężeń (np. przez dyfuzję cząsteczek rozpuszczonych związków). W przypadku membrany, która przepuszcza małe cząsteczki rozpuszczalnika a nie przepuszcza jonów ani większych cząsteczek, jedynym sposobem wyrównania stężenia roztworów jest przepływ przez membranę rozpuszczalnika. W najprostszym przypadku, dla roztworów silnie rozcieńczonych, ciśnienie osmotyczne na granicy roztworów "1" i "2" można wyrazić wzorem:

gdzie π_1,2 = ciśnienie osmotyczne na granicy roztworów 1 i 2, R = stała gazowa, T = temperatura (w skali Kelwina), [X]1, [X]2 = stężenie molowe związku

Wynika z tego że:

Potencjał osmotyczny jest wprost proporcjonalny do stężenia roztworu oraz do temperatury bezwzględnej (w kelwinach), podniesienie temperatury o 1K powyżej zera bezwzględnego powoduje wzrost ciśnienia o 1/273

1 molarny roztwór substancji niedysocjujących (cukry, aminokwasy) wywiera

ciśnienie osmotyczne 2,27 MPa. A substancje dysocjujące wywierają wyższe ciśnienie

osmotyczne proporcjonalne do stopnia dysocjacji na jony.

Stężenie normalne jest równe stężeniu molowemu pomnożonemu przez współczynnik dysocjacji. Np. 1n HCl to 0,5 mol HCl , współczynnik dysocjacji dla HCl wynosi 2 ponieważ HCl dysocjuje na 2 jony.

Roztwory izotoniczne – roztwory o jednakowym potencjale osmotycznym

Roztwór hipertoniczny – roztwór mający wyższy potencjał osmotyczny

Roztwór hipotoniczny – roztwór mający niższy potencjał osmotyczny

Plazmoliza – zjawisko polegające na kurczeniu się protoplastu i jego odstawaniu od ścian komórkowych, wskutek umieszczenia komórki w roztworze hipertonicznym.

Deplazmoliza – stopniowe rozkurczanie się protoplastu, zakończone przylgnięciem cytoplazmy do ścian komórkowych po umieszczeniu splazmolizowanej komórki w czystej wodzie.

Plazmoliza graniczna – początkowe stadium plazmolizy; protoplast odstaje od ściany komórkowej jedynie w narożach komórki.

Plazmoliza wklęsła – skurczony protoplast ma wyraźne wklęśnięcia.

Plazmoliza wypukła – skurczony protoplast odstaje od ściany komórkowej w postaci uwypuklonej.

Dyfuzja – ruch substancji od miejsc, w których potencjał chemiczny ma wartość większą do miejsc, w których ma wartość mniejszą.

Membrana półprzepuszczalna czyli inaczej błona półprzepuszczalna jest to rodzaj membrany, która jest w stanie przepuszczać niektóre rodzaje cząsteczek (np. małe cząsteczki rozpuszczalnika) a zatrzymywać inne (np. duże cząsteczki lub jony).

Przykładem naturalnej membrany półprzepuszczalnej jest błona komórkowa czy skóra. Różnica stężeń związków chemicznych po dwu stronach membrany powoduje powstanie ciśnienia osmotycznego.

ĆWICZENIE II

FIZYCZNY MODEL KOMÓRKI

Temat: Pomiar szybkości przepływu wody poprzez błonę półprzepuszczalna przy użyciu osmometru.

Doświadczenie 1.

Zbiornik osmometru napełnić 1 M roztworem sacharozy, następnie połączyć z kapilarą za pomocą wężyka gumowego. Opłukać osmometr i umieścić w klamrze statywu w ten sposób, aby jego zbiornik był całkowicie zanurzony w wodzie destylowanej wypełniającej zlewkę. Zaznaczyć na kapilarze poziom cieczy i zanotować czas. Dokonywać odczytu poziomu cieczy co 5 min., względnie co 10 min. w zależności od szybkości przemieszczania się słupa cieczy. Wyniki zestawić w tabeli 1.

Czas w minutach	10	20	30	40	50	60	70
Wysokość słupa Cieczy w cm

Na podstawie uzyskanych wyników sporządzić wykres.

Doświadczenie 2.

Temat: Sztuczna komórka Traubego.

Sztuczne membrany selektywne można wytworzyć na drodze niektórych reakcji chemicznych. Wprowadzając do roztworu CuSO₄ roztwór żelazocyjanku potasu, wytwarza się na powierzchni styku tych dwóch roztworów membrana selektywna, zgodnie z reakcją:

K₄[Fe/CN/]₆ + 2CuSO₄ → Cu₂[Fe/CN/]₆ + 2K₂SO₄

W wyniku różnicy stężeń przez membranę selektywną zachodzą zjawiska osmotyczne. Następuje przenikanie wody do sztucznej komórki, w wyniku czego sztuczna komórka kurczy się lub pęcznieje o czym decyduje różnica stężeń między roztworem CuSO₄ a roztworem K₄Fe(CN)₆.

Wykonanie:

Należy sporządzić następujące roztwory:

1. 5 ml 0,5 n CuSO₄

2. 10 ml 2 n K₄[Fe/CN/]₆

Z tego roztworu metodą rozcieńczeń sporządzić:

2 ml 1 n K₄[Fe/CN/]₆ Masy atomowe: Cu = 63,54 K = 39,10

2 ml 0,5 n K₄[Fe/CN/]₆ S = 32,06 C = 12,0

2 ml 0,25 n K₄[Fe/CN/]₆ O = 16,00

2 ml 0,12 n K₄[Fe/CN/]₆ Fe = 55,85

Roztwory K₄[Fe/CN/]₆ należy sporządzić w probówkach, a napisy stężeń przymocować gumką do probówek.

Do 6 ponumerowanych probówek należy wprowadzić po 5 ml 0,5 n CuSO₄.

Do probówki nr 1 wprowadzić mały kryształ K₄[Fe/CN/]₆ do następnych wprowadzić pipetą pod poziom cieczy po jednej kropli r-ru K₄[Fe/CN/]_6, przy czym do:

probówki nr 2 - 1 kroplę 2 n K₄[Fe/CN/]₆

probówki nr 3 - 1 kroplę 1 n K₄[Fe/CN/]₆

probówki nr 4 - 1 kroplę 0,5 n K₄[Fe/CN/]₆

probówki nr 5 - 1 kroplę 0,25 n K₄[Fe/CN/]₆

probówki nr 6 - 1 kroplę 0,12 n K₄[Fe/CN/]₆

Po utworzeniu się sztucznych komórek, należy obserwować zwiększenie lub zmniejszenie się objętości w wyniku zachodzących zjawisk osmotycznych.

UWAGA! NIE WOLNO WYWOŁYWAĆ SZTUCZNYCH WSTRZĄSÓW MECHANICZNYCH.

Wyniki:

Roztwór K4[Fe/CN/]6	Kryształ	Roztwór 2 n	Roztwór 1 n	Roztwór 0,5	Roztwór 0,25 n	Roztwór 0,12 n
nr probówki	1	2	3	4	5	6
Zmiany objętości komórki Traubego

Oznaczenie:

1 - zwiększa objętość

2 - pozostaje bez zmian

3 - zmniejsza objętość

Wnioski:

Wyjaśnić dlaczego sztuczna komórka Traubego może zwiększać, zmniejszać objętość lub nie wykazywać żadnych zmian.

Doświadczenie 3.

Temat: Oznaczanie potencjału osmotycznego.

Zasada pomiaru jest następująca: badaną tkankę umieszcza się w roztworach sacharozy o różnych stężeniach i po pewnym czasie mierzy zmianę masy tkanki. Jeżeli siła ssąca tkanki jest większa niż roztworu, w którym była umieszczona, pobiera ona wodę i zwiększa swoją masę. Jeżeli masa tkanki w jakimś roztworze pozostaje bez zmian, to roztwór ten posiada potencjał osmotyczny równy sile ssącej tkanki.

Wykonanie:

Sporządzić 6 roztworów sacharozy w stężeniu: 0,1 M; 0,2 M; 0,3 M; 0,4 M; 0,5M; 0,6M w ilości 10 ml, metodą rozcieńczeń wychodząc z roztworu1M.Sacharoza posiada c.cz. = 342,29. Sporządzone roztwory należy wprowadzić do probówek ponumerowanych od 1 - 7, w następującej kolejności:

probówka nr 1 - kontrola (woda destylowana)

probówka nr 2 - 0,1 M sacharoza

probówka nr 3 - 0,2 M sacharoza

probówka nr 4 - 0,3 M sacharoza

probówka nr 5 - 0,4 M sacharoza

probówka nr 6 - 0,5 M sacharoza

probówka nr 7 - 0,6 M sacharoza

Z badanego materiału wyciąć korkoborem 7 walców długości około 7 cm i po opłukaniu wodą i osuszeniu bibułą zważyć na wadze analitycznej z dokładnością do 0,0001 g. Po zważeniu umieścić walce w probówkach z roztworami sacharozy, w którym masa tkanek roślinnych pozostaje bez zmian.

Potencjał osmotyczny (ciśnienie osmotyczne) obliczamy wg. wzoru:

P = C ⋅ R ⋅ T

gdzie:

P = potencjał osmotyczny (w atmosferach)

C = stężenie roztworu (w molach)

R = stała gazowa (0,082 w litoatmosferach)

T = temperatura bezwzględna (273 + t ^C )

Wyniki:

	Roztwory sacharozy w molach
	Kontrola
Masa tkanki przed Doświadczeniem w g
Masa tkanki po doświadczeniu
Różnica masy tkanki po doświadcz. i przed doświadczeniem

Wniosek:

Jaka jest wartość potencjału osmotycznego badanych tkanek i jak wielka jest ich siła ssąca.

Uwaga: Podać obliczenia potencjału osmotycznego badanych tkanek.

Doświadczenie 4.

Temat: Selektywność żywej i martwej cytoplazmy.

Scharakteryzować zdolność przenikania wody i rozpuszczalnych w niej związków przez plazmalemmę i tonoplast.

Opisać selektywność przepuszczalności żywej i martwej cytoplazmy.

Wykonanie:

Wykroić korkoborem z korzenia czerwonego buraka 5 walców tkanki długości około 2 cm, umieścić w zlewce z wodą i dokładnie wypłukać barwnik z uszkodzonych komórek. Wypłukane skrawki wprowadzić do 5 ponumerowanych probówek. Do poszczególnych probówek wprowadzić po 5 ml następujących cieczy:

probówka nr 1 - woda zimna 5 ml

probówka nr 2 - woda wrząca 5 ml

probówka nr 3 - 4 ml wody + 1 ml chloroformu

probówka nr 4 - 5 ml kwasu octowego

probówka nr 5 - 5 ml metanolu lub etanolu

Probówki należy umieścić w statywie i po upływie 1 godziny, po dokładnym wstrząśnięciu zaobserwować wynik.

Wyniki:

Nr probówki	1	2	3	4	5
Roztwór	Woda zimna	woda wrząca	woda + chloroform	kwas octowy	etanol
występowanie przepuszczalności barwników z tkanki do roztworu

Wniosek:

Opisać wpływ wysokiej temperatury, pH, narkotyków i trucizn na selektywną przepuszczalność cytoplazmy.