pressione osmotica

il flusso osmotico si arresta quando si crea un dislivello tale che l'aumento di pressione idrostatica conseguente all'ingresso di solvente, contrasta la pressione osmotica.

Questo singolare comportamento è conseguente alla particolare struttura della membrana, che è selettiva e per questo viene detta semipermeabile. In pratica, la membrana semipermeabile è caratterizzata da spazi intermolecolari di dimensioni tali che permettono solo il passaggio delle molecole d'acqua e non delle molecole di soluto (saccarosio) molto più voluminose.

Il processo descritto, prende il nome di osmosi (dal greco osmòs = spinta). In questo caso, la diffusione dell'acqua attraverso una membrana semipermeabile può sembrare un fenomeno diverso dalla diffusione libera di molecole di soluto; tuttavia, entrambi i processi avvengono secondo lo stesso principio generale: la diffusione avviene nella direzione che tende a rendere uguali le concentrazioni nei due scomparti.

nella diffusione libera, le molecole di solvente (schematizzate in blu) diffondono attraverso la membrana fino ad equilibrare le concentrazioni nei due scomparti.

Infatti, a causa della presenza di soluto in uno dei due recipienti, il numero di molecole d'acqua per unità di volume contenute nella soluzione è minore di quelle contenute in una pari unità di volume del solo solvente, cioè l'acqua. Ciò costituisce per il solvente il gradiente necessario perché avvenga la diffusione attraverso la membrana.
L'analogo processo diffusivo che si dovrebbe verificare anche per il soluto, viene impedito dalla membrana che non ne permette il passaggio. Così, attraverso la membrana passa unicamente il solvente che diluisce la soluzione fino ad annullare il gradiente sopra definito.

Nella diffusione libera, ottenuta con una membrana di caratteristiche tali da permettere il passaggio anche al soluto, le molecole di zucchero diffondono nell'acqua pura, aumentando la concentrazione di zucchero nello scomparto di destra e diminuendo la concentrazione in quello di sinistra.
Nella diffusione libera si raggiunge rapidamente l'equilibrio perchè le concentrazioni nei due scomparti diventano uguali in poco tempo.

equazione di Van't Hoff

dove:
R = costante dei gas = 0.0820 [l][atm][mol] ^-1 [K] ^-1;
T = temperatura assoluta in K;
c = concentrazione della soluzione [mol] [l] ^-1;
i = fattore di correzione che tiene conto del numero di molecole in soluzione ( derivanti dalla eventuale dissociazione del soluto);

esempio 1: determinare la pressione osmotica a 23°C di una soluzione 0.15 M di cloruro di calcio. Dalla dissociazione del cloruro di calcio: CaCl2 Ca ++ + 2 Cl – si vede che il fattore di correzione è i = 3 (somma di una molecola di Ca ++ e due molecole di Cl –), per cui la pressione osmotica sarà: p = c· R · T · i = 0.15 [mol/l] · 0.082 [l·atm/mol·K] · 296 [K] · 3 = 10.922 atm

La pressione osmotica in un liquido nel quale sono disciolte più sostanze è ancóra fornita dall'equazione di Van't Hoff. In questo caso, la concentrazione, c, deve rappresentare la concentrazione totale di tutte le particelle che non possono attraversare la membrana. Questa concentrazione prende il nome di osmolarità della soluzione. Il suo valore è dato dalla somma di tutte le particelle che non attraversano la membrana. Soluzioni con la stessa osmolarità della cellula sono dette isosmotiche.

esempio 2: l'osmolalità del liquido intracellulare è 0.3 osmol/l. Questo significa che in un litro di questo liquido vi sono 0.3 · N ( N = numero di Avogadro = 6 1023) = 1.8 1023 molecole che non attraversano la membrana. La pressione osmotica del liquido intracellulare è dunque: p = 0.30 [osmol/l]· 0.082 [atm·l/mol·K] · (273 + 37 °)[K] = 7.9 atm

esempio 3: determinare il peso molecolare dell'emoglobina sapendo che 12.8968 g di questa proteina sciolti in 200 ml di acqua presentano una pressione osmotica di 0.25 atm a 27 ºC. Una proteina (a destra è mostrato un semplice peptide) disciolta in acqua si trova al suo punto isoionico, ossia le cariche positive presenti, portate dai gruppi amminici, sono esattamente bilanciate da altrettante cariche negative dei gruppi carbossilici sulla stessa molecola. Questo significa che non vi sono controioni esterni, come ad esempio Na + o Cl –, i quali, non potendo attraversare le membrana perché bloccati dalle controcariche sulla proteina, inciderebbero fortemente sulla pressione osmotica. La pressione osmotica di 0.25 atm è pertanto, in questo caso, competente esclusivamente alle molecole di emoglobina e il fattore di Van't Hoff sarà in questo caso: i = 1. Si può allora calcolare facilmente il peso molecolare della proteina dalla equazione generale della pressione osmotica. PM = (12.8968 · 0.082 · 300 )/(0.2 · 0.25) = 64000

Per molecole di elevato peso molecolare (10⁴ ÷ 10⁶), cioè molecole biologiche o polimeri artificiali, sono disponibili osmometri a membrana che in pochi minuti, operando su piccole quantità di soluzione (con sensibilità di flusso al milionesimo di millilitro), consentono rapide ed accurate determinazioni di peso molecolare.

la maledizione di Montezuma

L’infezione può essere provocata da diversi batteri, ma presenta sempre gli stessi sintomi: le scariche sono accompagnate da nausea, vomito, dolori addominali e febbre alta. Il più delle volte si tratta di disturbi che vanno via in pochi giorni senza che sia necessario ricorrere ai medicinali, ma possono essere sufficiente a rendere la vacanza un incubo. La miglior profilassi da seguire, richiede qualche semplice accorgimento: evitare verdure crude, gelati artigianali, carne e pesce se non sono ben cotti, acqua corrente e ghiaccio aggiunto alle bevande, frutta lavata con acqua corrente.

Circa il 70% delle morti per diarrea sono causate da disidratazione derivante dalla perdita di grandi quantità di acqua e di sali dal corpo. Il corpo umano, per il suo corretto metabolismo, ha bisogno di acqua per mantenere sangue a sufficenza ed altri liquidi. Sostanzialmente se il vostro corpo perde più liquidi di quelli che state assumendo, stata disidratandovi.
Non esiste un farmaco sicuro ed efficace che possa arrestare questo disturbo. Tuttavia, le morti di tre milioni di bambini all'anno potrebbero essere evitate con un metodo che è poco costoso, sicuro e così semplice da poter essere appreso ed usato da tutti i genitori. Questo trattamento, praticabile nei casi che non richiedono ricovero, è la cosiddetta terapia orale di reidratazione (ORT = Oral Rehydration Therapy).

I microrganismi che causano la diarrea, interferiscono con i processi biochimici che regolano lo scambio di fluidi tra le pareti intestinali ed il circolo sanguigno. La terapia di reidratazione orale (ORT), è basata sulla somministrazione, ogni 3 - 4 ore, di piccoli volumi di liquido (per evitare il vomito) costituito da una soluzione acquosa di NaCl e glucosio. Tra il 1980 e il 1990, la ORT, unitamente a vaccini migliorati hanno ridotto di circa tre milioni il numero di decessi causati dalle principali malattie infantili nei paesi in via di sviluppo.

In pratica, la ORT consiste nel bere una semplice soluzione per rimpiazzare l'acqua ed i sali persi dal corpo durante la diarrea. Questa soluzione (una poltiglia molto liquida) può essere preparate con ingredienti comunemente disponibili in famiglia: acqua mescolata con cereali (mais, riso, orzo, segale, avena), con una spesa di circa 50 centesimi.
La soluzione ORT ha la proprietà di far passare per osmosi l'acqua dalla parete intestinale al sangue, in modo da ridurre la disidratazione. Esaminiamone, in base ai princìpi dell'osmosi, tre possibili composizioni:

• ORT isotonica: la concentrazione di cloruro di sodio e glucosio è aggiustata in modo da avere la stessa osmolalità del sangue. Il glucosio induce con un processo biochimico il trasporto del sodio verso il sangue (quindi non per osmosi), e con il sodio viene trascinata l'acqua diminuendo la disidratazione. Tuttavia, questo trattamento è sintomatico: non ha alcuna influenza sulle cause della diarrea e dunque non ne riduce né la durata né l'entità.
  
  
  
• ORT ipertonica: aumentando la concentrazione di glucosio si potrebbe pensare che aumenti l'efficacia del trasporto di sodio nel sangue e con esso venga favorito un maggior passaggio di acqua. In realtà, l'aumento della concentrazione di glucosio rende la soluzione ipertonica e l'acqua (per osmosi) fluisce dal sangue all'intestino, aggravando il problema;
  
  
• ORT ipotonica: si prepara sostituendo il glucosio con amido. Quando le molecole di amido si scindono all'interno del lume intestinale, rilasciano molte centinaia di molecole di glucosio, le quali partecipano rapidamente al processo di regolazione degli scambi di flusso fra intestino e sangue, e dunque incrementano questo processo. D'altra parte, poichè la pressione osmotica dipende dal numero di molecole in soluzione, e non dalla loro massa, la soluzione non diventa ipertonica e quindi non si ha l'effetto negativo descritto al punto precedente, ma rispetto alla ORT isotonica si ha un vantaggio derivante da un'azione più duratura legata alla lenta scissione dell'amido in glucosio.
  

Nel prossimo decennio le morti di 20 milione bambini potrebbero essere evitate con l'uso della reidratazione orale. Il giornale medico britannico, The Lancet lo ha definito «... possibilmente la scoperta medica più grande di questo secolo.» Nessun'altra singola innovazione medica del ventesimo secolo ha il potenziale di impedire tante morti, in così breve tempo ed a un così basso costo.

bevande isotoniche, ipertoniche e ipotoniche

% glucosio	volume (ml)
0 acqua pura	64
5	60
8	55
10	47
15	36
20	20
Tipo e volume di bevanda che transita attraverso lo stomaco in 20 minuti (da R.J. Maughan, 1991 mod.)

La concentrazione di sali e zuccheri presenti in una bevanda influenza enormemente il tempo necessario affinché essa attraversi lo stomaco e venga assimilata dall'intestino.

Gli integratori idrico-salini si possono dividere in tre categorie, secondo la loro concentrazione di sali e carboidrati; tale concentrazione si misura in milliosmoli per litro (mOsm/L).


• ipotoniche: sono meno concentrate del plasma (< 300 mOsm/L); sono in grado di dissetare nel minor tempo, apportano poche calorie ma transitano con la massima rapidità dallo stomaco e vengono altrettanto velocemente assimilate dall'intestino. LA LORO ASSIMILAZIONE AVVIENE IN TEMPI RAPIDISSIMI: vanno bene se assunte poco prima o durante l’allenamento o la gara.

• isotoniche: queste bevande hanno una concentrazione di sali e zuccheri simile a quella del plasma (circa 300 mOsm/L); passano rapidamente attraverso lo stomaco e vengono velocemente assimilate dall'intestino. Hanno una concentrazione di sostanze che determina una pressione osmotica identica a quella del plasma. LA LORO ASSIMILAZIONE AVVIENE IN TEMPI MEDIO-RAPIDI: vanno bene se assunte prima o durante l’allenamento o la gara.

• ipertoniche: sono più concentrate del plasma (> 300 mOsm/L) e quindi, in conseguenza della pressione osmotica negativa, si assimilano più lentamente. Al termine di una prestazione atletica è consigliabile un periodo di reidratazione utilizzando anche bevande isotoniche o addirittura ipertoniche meglio se a base di maltodestrine, fruttosio e sali minerali in forma di gluconati e aspartati più facilmente assimilabili che permettono di ricostituire il glicogeno muscolare e reintegrare i sali persi durante la sudorazione. Hanno una concentrazione di sostanze che determina una pressione osmotica superiore a quella del plasma. LA LORO ASSIMILAZIONE AVVIENE IN TEMPI LUNGHI: vanno bene se assunte dopo l'allenamento o la gara; diversamente, si avrebbe una sottrazione di acqua dal sangue per diluire le sostanze presenti nella bevanda e permetterne l'assimilazione, compromettendo il rendimento fisico.

acqua di mare

L’acqua che beviamo è anche utilizzata dai reni per estrarre dal sangue i metaboliti di scarto del nostro organismo, che vengono eliminati attraverso l’urina. Per compiere questo processo, i reni richiedono una concentrazione di sali non superiore al 2 per cento. L’acqua marina contiene sali al 3,5 per cento; quindi, per esempio, bevendone un litro i nostri reni hanno bisogno di circa un altro mezzo litro di acqua per diluirlo. Per far questo, prelevano il liquido mancante dal nostro organismo e la sensazione di sete e disidratazione possono solo aumentare.
Infatti, nel nostro organismo sali e acqua sono in equilibrio osmotico: se all’interno delle cellule c’è più sale che nel plasma, l’acqua del plasma penetrerà nelle cellule fino a ristabilire l’equilibrio, mentre se la concentrazione è più elevata nel plasma le cellule si svuoteranno cedendo acqua al plasma.
Così, se assumiamo acqua priva di sali le cellule si gonfiano, mentre se l’acqua è troppo salata le cellule si svuotano dell’acqua che contengono per cederla al plasma e si atrofizzano. L’organismo, in conseguenza della disidratazione, entra in uno stato di tossicosi e se si introduce altra acqua salata invece di quella dolce subentrano gravi disfunzioni renali dalle quali, alla fine, deriva la morte.

pressione oncotica

L'osmosi riveste un ruolo essenziale nello scambio di sostanze, a livello dei capilari, tra plasma e liquido interstiziale. In figura a destra, è schematizzato un capillare (le cui pareti sono costituite da una membrana semiperneabile) immerso nel liquido interstiziale.

All'interno del capillare scorre il liquido plasmatico, costituito dallo stesso liquido esterno, con l'aggiunta di un soluto (proteine del sangue) per le quali la parete del capillare è impermeabile. La presenza delle proteine comporta una maggiore concentrazione all'interno del capillare e quindi una pressione oncotica, p, che tende a richiamare nel capillare il liquido esterno con un processo articolato secondo lo schema seguente:

1) all'imboccatura del capillare, il liquido interno è ad una pressione fisiologica P > p + p_i , cioè superiore alla somma della pressione oncotica e della pressione esercitata dal liquido interstiziale sul capillare; così, si verifica una fuoriuscita di liquido dall'interno del capillare verso l'esterno. Contemporaneamente, la pressione oncotica all'interno del capillare cresce a causa dell'aumento di concentrazione dovuto alla fuoriuscita di solvente.

2) a causa della viscosità del sangue, la pressione P nel capillare diminuisce gradualmente nel senso del moto (grafico sotto la figura) e contemporaneamente la pressione oncotica interna al capillare cresce a causa dell'aumento di concentrazione dovuto alla fuoriuscita di solvente. Per conseguenza, all'interno del capillare, esiste una sezione in corrispondenza della quale la pressione, P, del liquido interno eguaglia la somma della pressione oncotica e la pressione dovuta al liquido interstiziale: P_e = p + p_i. Da questa sezione in poi, e fino al termine del capillare, si avrà il rientro del solvente nel capillare (in quanto P < p + p_i)

3) come risultato, nell'ambiente esterno al capillare (liquido interstiziale), si instaura un flusso di liquido che, uscendo dal tratto a monte del capillare, vi rientra nella parte più a valle. Questo continuo flusso di liquido lambisce le cellule dei tessuti apportandovi nuovo nutrimento e permettendo la raccolta dei prodotti di rifiuto.
Nel complesso equilibrio di pressioni alla base di questo processo di scambio dei fluidi, è evidente l'importanza della concentrazione delle proteine (pressione oncotica) nel sangue che fluisce nel capillare stesso.

osmosi inversa

L'osmosi inversa si presenta in natura nelle mangrovie che crescono in acqua di mare. La linfa interna allo xilema, è costituita essenzialmente di acqua pura, mentre le radici affondano in acqua salata. Pertanto essendo l'osmolalità dell'acqua di mare = 1,08 osmol/l, si può calcolare che deve esserci una differenza di pressione osmotica (p = c R T = 1,08 · 0.0820 · 293 = 25,9 atm) la quale dovrebbe spingere l'acqua fuori dall'albero immettendola nell'acqua salina e disidratando la pianta.

In realtà, avviene il contrario, e dunque si deve avere un'osmosi inversa. Ora, la pressione osmotica (nel verso dall'acqua contenuta nello xilema, all'acqua del mare) è p = - 25,9 atm e pertanto, per avere osmosi inversa occorre appunto che all'interno dello xilema sia in qualche modo presente una pressione maggiore, p_x, in verso opposto, capace cioè di risucchiare l'acqua internamente allo xilema (osmosi inversa).

riepilogando: la pressione alla superficie del mare è p = 1 atm (la pressione esercitata da un fluido si propaga in tutte le direzioni, e dunque p è anche diretta verso l'alto, quindi opposta alla pressione osmotica il cui segno è negativo in quanto ha verso opposto a quello in cui crescono le ordinate); dunque: p + p_x- p = 0 p_x = - p + p = - 1 + 25,9 = 24,9 atm, una pressione (verso l'alto) capace appunto di risucchiare l'acqua.

Questo risultato - la cui spiegazione richiede alcuni richiami di fisiologia vegetale - porta a concludere che la pressione dell'acqua nello xilema della maggior parte degli alberi sia negativa, cioè che l'acqua trattenuta nello xilema sia in tensione: la pianta risucchia l'acqua tirandola verso l'alto come se fosse una sorta di colonna liquida continua.

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