Fisiologia generale

Differenza tra osmolare e molare

Molare: è l’unità di misura della concentrazione di una specie chimica, definita come le moli di soluto

presenti in 1 litro di soluzione.

Osmolare (o osmolarità): pressione osmotica generata dai soluti in 1 litro di soluzione (1 Osm = 1 mol/L)

L’osmolarità è una proprietà colligativa delle soluzioni, equivale al numero di particelle nell’unità di

volume, non tiene conto delle caratteristiche di permeabilità della membrana. Inoltre, non dipende dalla

natura delle molecole presenti in soluzione ma solo dal loro numero.

+ -

Es. se si avesse un sale come NaCl, che si dissocia in ioni Na e Cl , l'osmolarità data da una soluzione 0,1 molare di

NaCl sarà doppia, cioè 0,2 osm (osmolare).

Se invece avessimo il glucosio (sostanza che non si dissocia) 0,1 M si otterrà una soluzione 0,1 osm.

Tonicità: è un concetto fisiologico, tiene conto dell’effettiva permeabilità della membrana ai diversi

soluti (può o non può equivalere all’osmolarità). Inoltre, tiene conto della risposta che le cellule hanno

nella soluzione in cui sono immerse ed indica la concentrazione dei soluti che non permeano la

membrana, perché quando si considera la tonicità, si considera le variazioni di volume delle cellule per

cui si definisce una soluzione in base alla sua capacità di mantenere o meno inalterato il volume

cellulare.

Una soluzione è:

- isotonica quando mantiene invariato il volume cellulare (Vcell);

- ipotonica se il volume cellulare aumenta e si ha un rigonfiamento cellulare;

- ipertonica se il volume cellulare diminuisce in quanto la soluzione richiama acqua dalla cellula.

Variazione di

volume in un

0.9% NaCl (= 0.155 M) Soluzione isotonica globulo rosso

(sistema a

pressione

costante) in

relazione alla

0.6% NaCl (= 0.103 M) Soluzione ipotonica tonicità del mezzo

esterno

1.4% NaCl (= 0.241 M) Soluzione ipertonica PM NaCl = 58

Attenzione: soltanto i soluti non permeanti contribuiscono alla tonicità di

una soluzione.

Riguardo l’osmolarità: 32

Osmolarità e tonicità

Conoscere l’osmolarità di una soluzione non necessariamente basta per

stabilire se quella soluzione è in grado di mantenere il volume invariato.

Quindi si tiene conto della possibilità che i soluti usati per la soluzione siano

permeabili alla membrana.

Si definisce una soluzione isotonica quando essa mantiene inalterato il

volume cellulare, e che può avere lo stesso numero di particelle in soluzione

nel citosol.

Una soluzione isotonica non necessariamente è anche isoosmotica.

Una soluzione salina 0.25 M è una soluzione ipoosmotica e ipotonica in

quanto il numero di particelle di soluto non permeante è inferiore a quello del citosol e provoca

rigonfiamento cellulare. Un esempio è quello del riccio di mare immerso in una soluzione ipotonica,

che contiene una concentrazione di sali inferiore all'osmolarità del citosol,

di conseguenza in questo caso sappiamo che la concentrazione è ipotonica

in quanto abbiamo 0,5 M di sali all'interno e 0,25 M di sali all’esterno,

quindi si ha una soluzione 1 osm all'interno e 0,5 osm all’esterno, perciò

queste due soluzioni hanno sia osmolarità che tonicità diversa.

Conseguentemente immergendo la cellula in una soluzione ipotonica e

ipoosmotica, essa si gonfia (aumento del volume cellulare) in quanto

l'acqua passa da una soluzione più diluita ad una più concentrata, così da

bilanciare l'osmolarità: l’osmolarità interna cellulare passa da 1,0 osm a 0,5

osm, quindi si ha la necessità di raddoppiare il volume cellulare.

Una soluzione isoosmotica può essere ipotonica

Lo stesso aumento di volume lo si osserva quando si fa un ulteriore esperimento: si

prende una cellula 0,5 M di sali e 1 osm, la si immerge in una soluzione che contiene 0,25

M di sali (quindi 0,5 osm) e 0,5 M di glicerolo che non si dissocia (quindi 0,5 osm).

All'esterno della soluzione quindi ho una concentrazione 1 osm, conseguentemente ho

lo stesso numero di particelle all'interno/esterno della cellula.

Questa situazione è una situazione di isoosmoticità ma non di isotonicità, perché

facendo questo esperimento e andando a misurare il volume cellulare, quello che si

trova è che la cellula ha raddoppiato il volume perciò quello che conta sembra solo la

concentrazione di sali che non permeano la membrana: la membrana della cellula è

permeabile al glicerolo.

In questa situazione di isoosmoticità l'acqua non si muove, però è anche vero che nella

soluzione extracellulare è presente glicerolo (la soluzione esterna rimane inalterata nel tempo, anche se c'è

scambio di acqua), e se il glicerolo fosse impermeabile non succederebbe nulla, ma invece essendo

permeabile permea la membrana e diffonde (diffusione semplice equilibrante) fino a che non si ha

concentrazioni uguali di glicerolo sia all'interno che all'esterno della soluzione extracellulare oltre ai sali.

Allo stesso tempo non siamo più in equilibrio osmotico, di conseguenza l'osmolarità all'interno della cellula

quando il glicerolo è passato diventa più grande, e questo richiede che l'acqua entri all'interno della cellula.

Così facendo si dice che l'equilibrio osmotico è stato perturbato. Inoltre, l'osmolarità all'interno della cellula

è diventata 1,25 osm, quindi è stato necessario l’aumento di volume della cellula.

Ma se entra acqua, allo stesso tempo aumenta il volume e si ha un cambio di concentrazione interna di

glicerolo come quella dei sali interni alla cellula, dunque le concentrazioni si abbassano, quindi tutto questo

si ripete fino a che non si raggiunge l'equilibrio osmotico e ciò si ottiene soltanto quando la concentrazione

all'interno della cellula dei sali non permeanti diventa uguale alla concentrazione esterna di tali sali. 33

Quindi il fatto che la concentrazione dei sali non permeanti sia ridotta è il fattore determinante l’ipotonicità

della soluzione: perché che ci sia o meno glicerolo, una concentrazione 0,25 M di sali all'interno viene

raggiunta per passaggio d’acqua, dovuto al fatto che all'esterno ho una concentrazione (di sali) inferiore a

quella fisiologica presente nel citoplasma, quindi la presenza o meno di glicerolo non determina

cambiamento nel volume cellulare.

La spiegazione è legata al fatto che il glicerolo entra o meno nell'osmolarità e fa capire che quando si ha un

soluto permeante si ha un cambiamento di volume, in quanto il soluto permeante passa attraverso la

membrana e determina l'aumento del numero di particelle che richiamano acqua. In questo caso però si ha

solo una concentrazione di sali più bassa. Perciò si deve raggiungere l'equilibrio osmotico dato dai sali non

permeanti, tutto il resto si distribuisce all'equilibrio.

Attenzione: non è il glicerolo a determinare il rigonfiamento cellulare ma l'acqua, perché via via che esso

entra, con lui entra anche acqua.

Quello che può cambiare è la velocità con cui si raggiunge l'equilibrio osmotico. Se si mettesse una cellula in

acqua, l'acqua passerebbe molto velocemente all'interno della cellula mentre se si inserisse una cellula in

una soluzione isotonica l'acqua non passerebbe a meno che non sia presente il glicerolo. Il passaggio

dell'acqua perciò è correlato al passaggio di glicerolo.

Una soluzione con 0.25 M di sali e 0.5 M di glicerolo è isoosmotica ed ipotonica. La soluzione extracellulare ha la

stessa osmolarità del citosol, ma il glicerolo (che contribuisce per il 50% all’osmolarità extracellulare) è un soluto

permeabile e non contribuisce alla tonicità extracellulare: la cellula si rigonfia e quindi la soluzione è ipotonica, come

nell’esempio riportato nella figura in alto, perché la concentrazione di soluto non permeante è minore di quella

citosolica.

L’aggiunta di un soluto a cui la membrana è permeabile non cambia la tonicità del mezzo, ma ha solo effetti

osmotici transitori.

Una soluzione iperosmolare può essere isotonica

Prendendo una cellula e immergendola in una soluzione iperoosmotica anche in questo caso, alla fine si

ottiene un rigonfiamento cellulare, in quanto la concentrazione di sali non permeanti è minore all'esterno

rispetto all'interno cellulare.

Se però ci trovassimo in una situazione di isotonicità e si aggiungesse una concentrazione di glicerolo 1M si

otterrebbe il valore di 1 osm (all’interno) e 2 osm (all'esterno) soluzione iperoosmotica.

→

“Alla fine, una volta ristabilito l'equilibrio cosa sarà avvenuto del volume cellulare? Sarà cambiato o sarà

rimasto uguale? E chi determina il cambiamento di volume cellulare?” 34

La risposta all’ultima domanda è: “il soluto che non permea la membrana”. Quindi siccome il glicerolo

permea la membrana, esso genera variazioni transitorie, e qualora le due concentrazioni osmolari non

permeanti fossero uguali la soluzione risulterebbe isotonica.

Se invece fosse ipotonica, la concentrazione dei sali non permeanti esterni alla membrana sarebbe inferiore

a quella dei sali non permeanti presenti dentro la cellula.

In questo caso si ha una soluzione iperoosmotica perché oltre ai sali all'esterno è stato aggiunta una

concentrazione 1 M glicerolo (il numero di particelle esterno è doppio rispetto a quello interno).

“Ma una volta aspettato il tempo sufficiente per raggiungere una situazione di equilibrio le due

concentrazioni dei sali non permeanti come saranno?”

Perché qualora fossero uguali quando si raggiunge l'equilibrio il volume della cellula rimarrebbe inalterato:

si ha una soluzione isotonica, in quanto il glicerolo determina solo una variazione transitoria.

Mettendo la cellula in una soluzione 0,5 M di sali e 1 M di glicerolo (soluzione iperoosmotica) quello che

succede è l'uscita di acqua dalla cellula, in quanto essa passa attraverso la membrana più veloce di quanto

non passi il glicerolo, la cellula di conseguenza risente gli effetti di entrambi gli elementi. L'acqua si muove

così molto rapidamente, e permette una riduzione del volume (fino alla metà).

In questa situazione abbiamo la stessa osmolarità sia all'interno che all'esterno, all'esterno c'è il glicerolo

ma dentro no. La situazione è quella di prima seppur adesso si ha una riduzione di volume in quanto si è

aumentato l'osmolarità extracellulare.

Si ha quindi una situazione di isoosmolarità con all’esterno il glicerolo che entra all'interno della cellula,

causando di conseguenza un aumento dell'osmolarità cellulare che richiama acqua fino a che la

concentrazione di sali-glicerolo interno/esterno sarà la stessa. A questo punto il volume risulta uguale a

quello di partenza in quanto dentro ho glicerolo 1 M con stessa concentrazione, perciò la concentrazione di

sali non permeanti risulterà uguale a quella fisiologica.

Se per esempio in laboratorio si dovesse preparare una soluzione in cui immergere un tessuto o delle cellule, si deve

prestare attenzione ai soluti adoperati, in quanto se si volesse mantenere in vita il tessuto occorre fare una soluzione

isotonica.

Essa va fatta utilizzando soluti non permeanti alla concentrazione che da l'osmolarità presente all'interno del citosol.

L’aggiunta di glicerolo 1 M alla soluzione extracellulare ne raddoppia l’osmolarità, ma non ne cambia la tonicità e

determina solo una diminuzione transitoria del volume cellulare. La concentrazione di soluti non permeanti è la stessa

di quella citosolica.

La tonicità di una soluzione dipende dalla concentrazione osmolare dei soluti non permeanti. 35

Volume osmoticamente inerte

Non tutta l’acqua presente nella cellula partecipa agli scambi. La parte di acqua legata ai soluti costituisce

un volume osmoticamente inerte, che deve essere sottratto al volume cellulare per verificare che la cellula

si comporti come un osmometro.

Negli esempi precedentemente trattati si è considerato come cambia il volume cellulare, che fino ad ora si

è fatto cambiare in maniera direttamente proporzionale alle concentrazioni osmolari assumendo

implicitamente che se la tonicità raddoppia il volume raddoppia e viceversa (relazione 1:1).

Se si riportasse in un grafico la nostra relazione (volume sulle y e reciproco della tonicità sulle x) si dovrebbe