Osmose

Qualitätssicherung von Dr. med. Nonnenmacher am 30. Januar 2017
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Die Osmose ist ein gerichteter Fluss von molekularen Teilchen durch eine semipermeable Membran. In der Biologie ist sie von zentraler Bedeutung für die Regulation des Wasserhaushaltes in den Zellen.

Inhaltsverzeichnis

Was ist die Osmose?

Osmose bedeutet im Griechischen „Eindringen“. Sie wird beschrieben als spontane Passage für Lösungsmittel wie Wasser durch eine selektiv durchlässige Membran. Die Membran ist nur für das Lösemittel durchlässig nicht jedoch für die gelösten Stoffe. Durch die selektive Diffusion nur einer Komponente kommt es auf beiden Seiten der Membran zu einem Ausgleich des chemischen Potenzials.

In der Natur ist die Osmose häufig anzutreffen. Besonders in biologischen Membranen ist ein selektiver Stoffaustausch notwendig, damit biologische Transportprozesse stattfinden können. Allerdings sorgen hier auch aktive, energie-verbrauchende Transportprozesse dafür, dass der passiv entstehende osmotische Druck für die Zelle nicht zerstörerisch wirkt.

Während bei den normalen Diffusionsvorgängen keine Umkehrung möglich ist, stellt die Osmose einen reversiblen Prozess dar.

Funktion & Aufgabe

Bei der Osmose diffundieren selektiv Moleküle einer Lösung oder eines reinen Lösungsmittels so lange durch eine Membran, bis auf beiden Seiten dieser Membran das chemische Potenzial ausgeglichen ist. Dabei wird beispielsweise eine konzentrierte Lösung auf der anderen Seite durch das Lösemittel so lange verdünnt, bis der aufgebaute hydrostatische Druck die weitere Diffusion verhindert.

Die Moleküle können durch die Membran wandern, wobei es gleichgültig ist, von welcher Seite sie stammen. Allerdings ist für sie die Wahrscheinlichkeit immer größer, in Richtung des größten Potenzialunterschiedes zu diffundieren.

Wenn das chemische Potenzial ausgeglichen ist, wandern gleich viele Teilchen von links nach rechts wie von rechts nach links. Es ändert sich also äußerlich nichts mehr. Allerdings hat sich durch die angestrebte Verdünnung der konzentrierten Lösung auf der einen Seite eine höhere Flüssigkeitsmenge angesammelt, die einen hohen Druck (den osmotischen Druck) aufgebaut hat. Hält die Membran dem Druck nicht mehr stand, kann es zur Zerstörung der Zelle kommen.

Die Osmose ist ein gerichteter Fluss von molekularen Teilchen durch eine semipermeable Membran. In der Biologie ist sie von zentraler Bedeutung für die Regulation des Wasserhaushaltes in den Zellen.

Aktive Transportprozesse durch die Membran sorgen dafür, dass unter Energieaufwand bestimmte Stoffe abtransportiert werden. Ein anschauliches Beispiel für einen osmotischen Prozess ist das Aufquellen reifer Kirschen, wenn sie mit Wasser versetzt werden. Dabei dringt das Wasser durch die äußere Haut der Frucht ein, während der Austritt des Zuckers nicht möglich ist. Der Verdünnungsprozess innerhalb der Frucht läuft so lange ab, bis sie platzt.

Innerhalb des Körpers sorgt die Kombination von osmotischen und aktiven, energie-verbrauchenden Transportprozessen für den reibungslosen Ablauf biochemischer Prozesse in durch Biomembranen getrennten Räumen. So können Zellen existieren, die sich vom äußeren Milieu abtrennen, aber mit ihm im ständigen Stoffaustausch stehen.

Auch innerhalb der Zelle sind Organellen vorhanden, wo separate Reaktionen ablaufen können. Damit der osmotische Druck sich nicht so weit erhöht, dass die Biomembranen aufplatzen, werden Moleküle durch aktive Transportprozesse ausgeschleust.

In Säugetierzellen wird bei einer Erhöhung des osmotischen Drucks verstärkt das Protein NFAT5 gebildet. Es sorgt für eine Reihe von Gegenmechanismen, um die Zelle vor hypertonen Stress (Überdruck) zu schützen. Dabei werden Transportproteine produziert, die unter Energieaufwand bestimmte Stoffe aus der Zelle schleusen. Unter anderem werden über die Nieren harnpflichtige Substanzen wie Glukose und überschüssige Elektrolyte ausgeschieden, um den osmotischen Druck im Körper zu regulieren.

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Krankheiten & Beschwerden

Die Osmose spielt auch eine wichtige Rolle bei der Regulation des Elektrolythaushaltes. Elektrolyte sind gelöste Salze und bestehen aus positiv geladenen Metall-Ionen wie Natrium-, Kalium-, Magnesium- oder Kalzium-Ionen und negativ geladenen Anionen wie Chlorid-, Bikarbonat- oder Phosphat-Anionen.

Sie sind sowohl in der Zelle (intrazellulär), außerhalb der Zellen (interstitiell) oder innerhalb der Blutbahn (intravasal) in unterschiedlichen Konzentrationen vorhanden. Die Konzentrationsunterschiede erzeugen die elektrische Spannung auf den Zellmembranen und lösen so eine Vielzahl von Prozessen auf Zellebene aus. Sind die Konzentrationsunterschiede gestört, kommt auch der gesamte Elektrolythaushalt durcheinander.

Die Nieren regulieren durch verschiedene Mechanismen wie Durstmechanismen, hormonelle Prozesse oder nierenwirksame Peptide diesen Elektrolythaushalt. Bei starkem Durchfall, Erbrechen, Blutverlust oder Nierenversagen kann der Wasser- und Elektrolythaushalt gestört sein. Dabei kann jedes Elektrolyt entweder in zu hohen oder zu niedrigen Konzentrationen vorkommen.

Störungen im Wasser- und Elektrolythaushalt sind je nach Schweregrad mitunter lebensgefährlich. Beispiele für solche Zustände sind unter anderem Dehydratation, Hyperhydratation, Hyper- sowie Hypovolämie (Blutvolumen ist erhöht oder erniedrigt), Hypo- sowie Hypernatriämie, Hypo- sowie Hyperkaliämie oder auch Hypo- sowie Hyperkalzämie.

Jeder dieser Zustände bedarf intensiver Behandlung. In der Regel gleicht sich der Wasser- und Elektrolythaushalt schnell wieder aus. Wenn jedoch der Regelmechanismus zwischen aktiven Transportprozessen und osmotischen Prozessen durch eine Niereninsuffizienz oder einer anderen Krankheit gestört ist, kann es zu chronischen Elektrolytstörungen kommen. In der Folge treten Ödeme, Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Hirnödeme, Verwirrungszustände oder Krampfanfälle auf.

Die Zusammenhänge von Wasser- und Elektrolythaushalt mit den biologischen Prozessen im Körper sind so komplex, dass für alle Formen von Elektrolytstörungen oft ähnliche Symptome beobachtet werden. Die Bestimmung des Elektrolythaushaltes sollte bei chronischem Bestehen dieser Symptome zu den Standarduntersuchungen gehören.

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