Osmosi cellulare: lo scambio d’acqua fondamentale per la vita

L’osmosi cellulare è il passaggio spontaneo (diffusione) di un solvente (che nei sistemi biologici di solito è l’acqua) attraverso una membrana semipermeabile, dalla soluzione in cui i soluti sono più diluiti a quella in cui sono più concentrati. Questo movimento continua fino al raggiungimento di una situazione di equilibrio, in cui entrambe le soluzioni hanno la stessa concentrazione di soluto. L’osmosi cellulare è un processo vitale nei sistemi biologici, dato che le membrane biologiche sono semipermeabili. Queste membrane sono permeabili solo a piccole molecole idrofobe e non polari come lipidi, ossigeno, anidride carbonica, azoto e monossido d’azoto. Grandi molecole polari come ioni, proteine e polisaccaridi non passano attraverso queste membrane. La permeabilità dipende da solubilità, carica, natura chimica e grandezza delle molecole di soluto. Le molecole d’acqua viaggiano attraverso le membrane cellulari diffondendosi attraverso il doppio strato di fosfolipidi grazie alle acquaporine, proteine che facilitano il flusso dell’acqua a velocità molto elevata all’esterno o all’interno delle cellule. L’osmosi cellulare è il mezzo primario grazie al quale l’acqua entra ed esce dalle cellule.

Come funziona l’osmosi cellulare?

Quando una cellula è immersa in una soluzione acquosa, le molecole di acqua passano attraverso la membrana cellulare. In base alla differenza di concentrazione di molecole disciolte in acqua tra l’interno della cellula e l’esterno, l’acqua fluisce in una direzione o in quella opposta. Se, ad esempio, una cellula è immersa in acqua salata, le molecole di acqua si muovono verso l’esterno della cellula. Se la cellula è immersa in acqua distillata, le molecole si muoveranno nella direzione opposta, verso l’interno della cellula. Dopo un certo tempo all’interno e all’esterno della cellula c’è la stessa concentrazione di molecole disciolte in acqua. A questo punto le molecole di acqua non rimangono ferme, ma lo stesso numero entra ed esce dalla cellula; nella situazione di equilibrio il flusso netto di molecole d’acqua attraverso la membrana è nullo.

Le cause dell’osmosi

Al contrario di quanto biologi e chimici avessero ipotizzato subito dopo la scoperta dell’osmosi cellulare, questo processo non è basato esclusivamente sulla diluizione dell’acqua, e quindi sulla sua diffusione, o sull’attrazione del soluto all’acqua, e quindi su grandezza e idrofilia delle molecole di soluto. Il processo di osmosi è molto più complesso, e chiama in causa anche fenomeni meccanici e termodinamici senza i quali alcuni aspetti sperimentalmente dimostrati riguardo all’osmosi non avrebbero una spiegazione scientifica. Solo un’interazione sia termodinamica che meccanica tra soluto e solvente permette di contrastare la pressione esercitata dalle molecole libere di soluto e quindi dare il via all’osmosi cellulare. Infatti è possibile invertire l’osmosi sia meccanicamente che termodinamicamente, fornendo pressione o calore.

Termodinamica e osmosi cellulare

Le cause termodinamiche dell’osmosi vanno ricercate nel concetto di potenziale chimico. L’acqua come solvente di una soluzione ha un comportamento molto diverso rispetto all’acqua pura; ciò avviene a causa di una diversa pressione e della presenza delle molecole di soluto che fanno sì che il potenziale chimico resti invariato. Il teorema del viriale dimostra che l’attrazione tra molecole d’acqua e di soluto riduce la pressione; quindi la pressione esercitata dalle molecole d’acqua le une sulle altre in una soluzione e minore di quella esercitata tra molecole di acqua pura. La maggiore pressione permette all’acqua pura di forzare la soluzione fino a raggiungere un equilibrio nelle pressioni, e quindi nella concentrazione.

Pressione osmotica

La pressione osmotica è la pressione minima che deve essere applicata ad una soluzione per prevenire il flusso di solvente puro verso di essa attraverso una membrana semipermeabile (ossia l’osmosi). Essa può anche essere definita come la tendenza di una soluzione a diluirsi (aumentare la percentuale di solvente) tramite osmosi. La pressione osmotica potenziale è la pressione osmotica che va applicata per mantenere una soluzione in equilibrio se dall’altra parte della membrana semipermeabile c’è solvente puro.

Prendendo due soluzioni a differente concentrazione molare (diverso numero di particelle in esse disciolte), si definisce ipotonica la soluzione a minore concentrazione molare ed ipertonica quella più concentrata. Due soluzioni sono invece isotoniche quando hanno la medesima concentrazione. Ogni soluzione possiede una pressione osmotica che è direttamente proporzionale alla sua molarità. Quando sui due lati della membrana si trovano soluzioni a diversa concentrazione, le molecole di solvente si muovono in senso opposto alla differenza di pressione osmotica, dalla soluzione ipotonica verso la soluzione ipertonica, fino a quando le due soluzioni diventano isotoniche e i due potenziali chimici si equivalgono.

Osmosi inversa

L’osmosi inversa è un processo di depurazione dell’acqua che sfrutta una membrana semipermeabile per rimuovere ioni e particelle indesiderate dall’acqua per renderla potabile. Nell’osmosi inversa viene applicata una pressione per superare la pressione osmotica e quindi invertire il processo di osmosi. Attraverso l’osmosi inversa si possono rimuovere numerosi tipi di particelle disciolte e sospese e anche batteri. Questo meccanismo viene utilizzato in numerosi processi industriali, soprattutto nella produzione di acqua potabile.

Alla fine di un’osmosi inversa la maggior parte del soluto rimane nella parte pressurizzata della membrana e il solvente quasi puro passa dall’altra parte. Soprattutto nella produzione di acqua potabile, è fondamentale che non tutte le molecole di soluto vengano rimosse dal solvente. I sali minerali che l’uomo deve assumere con l’acqua per poter sopravvivere non devono essere eliminati dell’osmosi inversa; quindi le membrane semipermeabili devono essere studiate per far passare quelle particelle che devono essere presenti nell’acqua potabile, ed eliminare quelle dannose per l’essere umano. Un impianto a osmosi inversa che depura urina e sudore per produrre acqua potabile è presente anche sulla Stazione Spaziale ISS.

L’osmosi cellulare nelle piante

L’osmosi cellulare è indispensabile per il turgore delle cellule vegetali, e quindi per il supporto delle piante. L’ingresso per osmosi di acqua in una cellula vegetale aumenta la pressione esercitata dall’interno contro la parete cellulare, finché essa eguaglia la pressione osmotica, fornendo alla cellula e infine alla pianta una forma definita e difficile da modificare. Immergendo una cellula in una soluzione ipertonica, l’acqua esce dalla cellula ed essa si contrae, perdendo la sua forma e diventando flaccida. In soluzioni estremamente ipertoniche avviene la plasmolisi: la membrana cellulare si distacca dalla parete cellulare, causando in alcuni casi la morte della cellula. In una soluzione ipotonica la cellula vegetale incrementa il proprio turgore assorbendo acqua. L’osmosi cellulare permette alle radici delle piante di assorbire acqua dal suolo. Le piante concentrano i soluti nelle cellule delle radici, così da far entrare l’acqua per osmosi.

La pericolosità dell’osmosi cellulare

Se le cellule vengono immerse in soluzioni eccessivamente ipertoniche o ipotoniche, l’osmosi cellulare può avere effetti devastanti. In una soluzione molto ipotonica la cellula assorbe acqua ed è possibile che esploda. In una soluzione molto ipertonica la cellula avvizzisce fino a perdere la maggior parte dell’acqua e diventare incapace di riassorbirla, morendo. Un esempio più concreto di quanto l’osmosi cellulare può essere dannosa per gli esseri viventi sono i pesci di acqua dolce e salata. In una versione macroscopica dei precedenti esempi, un pesce d’acqua dolce in acqua salata perde rapidamente l’acqua interna al proprio corpo morendo disidratato; un pesce d’acqua salata in acqua dolce assorbe troppa acqua finché le proprie cellule esplodono.

L’osmosi cellulare e la conservazione degli alimenti

L’osmosi cellulare viene sfruttata in cucina per la conservazione dei cibi. Un valido esempio è la marmellata: lo zucchero viene aggiunto in abbondanza non solo per migliorarne il sapore, ma anche e soprattutto per aumentarne la conservabilità. Sembrerebbe un controsenso, poiché lo zucchero favorisce la vita di muffe e microrganismi coinvolti nella degradazione del prodotto. Proprio l’osmosi risolve quest’apparente problema. Aumentando la concentrazione di zucchero nella marmellata la sua pressione osmotica aumenta, quindi le cellule batteriche presenti nel vasetto perdono acqua per osmosi, raggrinzendosi e morendo. L’uso di soluzioni ipertoniche, quindi, aumenta i tempi di conservazione degli alimenti, perché riduce la disponibilità di acqua per la vita e la proliferazione dei microrganismi.

Allo stesso modo le leggi dell’osmosi sono sfruttate nelle salamoie: gli alimenti sono immersi in soluzioni ipertoniche dove il soluto è il comune sale da cucina. Altri esempi sono dati dai capperi, conservati direttamente sotto sale e dai canditi ricoperti di zucchero. Ci sono anche altre applicazioni culinarie dell’osmosi cellulare. Il sale va aggiunto alle bistecche solo a cottura terminata poiché la sua presenza sulla carne cruda causerebbe l’uscita dei succhi intracellulari ed extracellulari, riducendone l’appetibilità; allo stesso modo alcune verdure, come le melanzane, vengono cosparse di sale e lasciate riposare per un paio d’ore prima di essere cucinate, proprio per consentire all’osmosi di eliminare l’acqua in eccesso e i liquidi amari.