Pasif taşıma: difüzyon ve osmoz

Bir avuç kuru üzümü bir gece suda bekletin; sabah buruşuk üzümler dolgunlaşmış, kabukları gerilmiştir. Bir kâse doğranmış salatalığa tuz serpin; yarım saat sonra kâsenin dibinde su birikmiştir ve dilimler yumuşamıştır. Birinde hücreler su almış, ötekinde su kaybetmiştir; ama iki olayda da hiçbir enerji harcanmamış, hiçbir pompa çalışmamıştır. Su ve öteki maddeler, kendi başlarına, belli bir yöne doğru hareket etmiştir. Bir önceki derste hücre zarının yapısını ve hangi maddelerin ondan geçebildiğini gördük. Bu derste önce maddelerin zardan kendiliğinden nasıl geçtiğine, ardından suyun bu geçişteki özel davranışına ve bunun hücreler için sonuçlarına bakıyoruz.

• Pasif taşımanın özelliklerini sayar, difüzyonu ve onu etkileyen etkenleri açıklarsın.
• Basit difüzyon ile kolaylaştırılmış difüzyonu ayırt edersin.
• Osmozu tanımlar, izotonik, hipotonik ve hipertonik ortamları karşılaştırırsın.
• Hayvan ve bitki hücrelerinin farklı ortamlardaki davranışını, turgor ve plazmolizi yorumlarsın.

Enerji harcamadan taşınmak

Maddelerin zardan geçişinin bir kısmı hücreye hiçbir enerji maliyeti getirmez. Bu tür geçişlere pasif taşıma denir. Pasif taşımada ATP harcanmaz ve maddeler her zaman derişimin yüksek olduğu yerden düşük olduğu yere doğru hareket eder. Bu hareketin itici gücü moleküllerin kendi rastgele hareketidir. Derişim farkı ortadan kalktığında net taşıma da durur.

Difüzyon

Bir odanın köşesinde sıkılan parfümün kokusu birkaç dakika içinde bütün odaya yayılır. Bir bardak çaya atılan şeker, karıştırılmasa da zamanla bütün çaya dağılır. Bu yayılmaya difüzyon denir. Moleküller sürekli ve rastgele hareket eder; yoğun oldukları yerden seyrek oldukları yere doğru daha çok molekül gittiği için net bir yayılma ortaya çıkar. Sonunda madde ortama eşit dağılır ve bir denge kurulur. Dengede moleküllerin hareketi durmaz; yalnız iki yöne geçen molekül sayısı eşitlendiği için net bir değişim görülmez. Akciğerdeki hava keseciklerinden kana oksijen geçişi ve kandan keseciklere karbon dioksit geçişi difüzyonla gerçekleşir.

Difüzyonun hızı

Difüzyonun hızını birkaç etken belirler. Derişim farkı büyüdükçe hız artar. Sıcaklık yükseldikçe moleküller hızlandığı için difüzyon da hızlanır. Küçük moleküller büyüklerden daha hızlı yayılır. Geçişin yapıldığı yüzey alanı genişledikçe ve kat edilecek mesafe kısaldıkça hız artar. Hücre teorisi dersinde gördüğümüz yüzey-hacim ilişkisi burada yeniden karşımıza çıkar: küçük hücrelerde maddeler zardan içeriye daha çabuk ulaşır.

Kolaylaştırılmış difüzyon

Oksijen gibi küçük apolar moleküller zarın yağlı katmanından doğrudan geçer; buna basit difüzyon denir. İyonlar ve glikoz gibi polar moleküller ise bu katmandan geçemez. Bunlar zardaki kanal ve taşıyıcı proteinlerin yardımıyla geçer; buna kolaylaştırılmış difüzyon denir. Kolaylaştırılmış difüzyon da pasif taşımadır: yön yine derişim farkına göredir ve ATP harcanmaz. Protein yalnızca yol açar. Taşıyıcı protein sayısı sınırlı olduğu için, madde derişimi arttıkça geçiş hızı önce artar, bütün taşıyıcılar dolunca bir üst sınırda sabitlenir. Glikozun kırmızı kan hücrelerine girişi buna örnektir.

Osmoz

Suyun seçici geçirgen bir zardan geçişine osmoz denir. Osmoz, difüzyonun su için özel bir durumudur. Su, kendi derişiminin yüksek olduğu taraftan düşük olduğu tarafa geçer; başka bir deyişle, çözüneni az olan taraftan çözüneni çok olan tarafa doğru akar. Bir zarın bir yanında yüzde beşlik, öteki yanında yüzde onluk şeker çözeltisi varsa ve zar şekeri geçirmiyorsa su, yüzde beşlik taraftan yüzde onluk tarafa geçer.

Üç ortam

Bir hücrenin içinde bulunduğu ortam, hücre içine göre üç biçimde adlandırılır. İzotonik ortamda çözünen derişimi hücre içindekine eşittir; içeri ve dışarı geçen su miktarları eşit olduğu için net su alışverişi olmaz. Hipotonik ortamda çözünen derişimi hücre içinden düşüktür; su hücreye girer. Hipertonik ortamda çözünen derişimi hücre içinden yüksektir; su hücreden çıkar.

Hayvan hücresinde

Hayvan hücrelerinin duvarı yoktur. Kırmızı kan hücreleri saf suya konursa hipotonik ortamdan su alır, şişer ve sonunda patlayabilir. Çok tuzlu bir çözeltiye konursa su kaybeder ve büzülür. Bu yüzden hastalara damardan verilen serumlar kanla izotonik hazırlanır; böylece kan hücreleri ne su kaybeder ne de şişer.

Bitki hücresinde

Bitki hücresini sağlam bir hücre duvarı çevreler. Hipotonik ortamda su alan bitki hücresinin zarı ve sitoplazması duvara doğru itilir; duvar bu genişlemeye karşı direnir ve hücre patlamaz. Zarın duvara yaptığı bu basınca turgor denir. Turgor, otsu bitkilerin dik durmasını sağlar; susuz kalan bitkinin solması turgor kaybıdır. Hipertonik ortamda ise bitki hücresi su kaybeder; duvar biçimini korurken içteki zar ve sitoplazma büzülerek duvardan ayrılır. Buna plazmoliz denir. Plazmoliz olmuş ama ölmemiş bir hücre yeniden saf suya konursa su alarak eski durumuna döner; buna deplazmoliz denir.

Gündelik örnekler

Kanca'daki kuru üzümler hipotonik suda osmozla su alıp dolgunlaşmıştır. Salatalık dilimlerinin üzerine serpilen tuz, yüzeyde hipertonik bir ortam oluşturmuş ve hücrelerden su çekmiştir. Sulandıktan sonra dikleşen bir saksı bitkisi, hücrelerinin yeniden turgor kazandığını gösterir.

Patates çubukları deneyi

Osmoz basit bir deneyle ölçülebilir. Aynı boyda kesilmiş patates çubukları, tuz derişimi farklı birkaç kaba konur ve birkaç saat sonra boyları yeniden ölçülür. Saf suda ve çok seyreltik tuzlu suda çubuklar su alıp uzar ve sertleşir. Derişik tuzlu suda su kaybedip kısalır ve yumuşar. Boyun hiç değişmediği derişim, patates hücrelerinin içine izotonik olan derişimi gösterir. Bu deneyde bağımsız değişken tuz derişimi, bağımlı değişken çubuk boyundaki değişimdir.

Tatlı suda yaşamak

Tatlı suda yaşayan tek hücreli canlılar için çevre sürekli hipotoniktir ve hücrelerine durmadan su girer. Bu canlıların bir kısmı fazla suyu toplayıp dışarı atan özel kofullara sahiptir. Bu atma işi suyun doğal akış yönüne karşı yapıldığı için enerji gerektirir; yani pasif değildir.

Bazen hücre bir maddeyi derişim farkının tersine, az olduğu yerden çok olduğu yere taşımak zorundadır. Sıradaki ders, enerji harcanarak yapılan bu taşımayı ve büyük taneciklerin hücreye nasıl alındığını ele alıyor.

Örnek 1 — Osmoz yönü

Soru: Şekeri geçirmeyen bir zarın bir yanında yüzde beşlik, öteki yanında yüzde onluk şeker çözeltisi var. Su hangi yöne geçer?

• A) Yüzde onluk taraftan yüzde beşlik tarafa
• B) Hiçbir yöne geçmez.
• C) Yüzde beşlik taraftan yüzde onluk tarafa
• D) Şekerle birlikte iki yöne eşit geçer.
• E) Yalnız şeker geçer.

Çözüm: Su, çözüneni az olan taraftan çözüneni çok olan tarafa geçer. Cevap: C.

Örnek 2 — Hayvan hücresi

Soru: Kırmızı kan hücreleri saf suya konursa ne olur?

• A) Su kaybedip büzülür.
• B) Hiçbir değişiklik görülmez.
• C) Plazmoliz olur.
• D) Turgor kazanıp dik durur.
• E) Su alıp şişer ve patlayabilir.

Çözüm: Saf su hipotoniktir; duvarı olmayan hayvan hücresi şişip patlayabilir. Cevap: E.

Örnek 3 — Bitki hücresi

Soru: Bir bitki hücresi çok tuzlu bir çözeltiye konursa ne gözlenir?

• A) Plazmoliz; zar ve sitoplazma duvardan ayrılır.
• B) Hücre patlar.
• C) Turgor artar.
• D) Hücre duvarı erir.
• E) Net su girişi olur.

Çözüm: Hipertonik ortamda su kaybeden hücrenin içi büzülür, duvar biçimini korur. Cevap: A.

Örnek 4 — Kolaylaştırılmış difüzyon

Soru: Kolaylaştırılmış difüzyonu basit difüzyondan ayıran özellik hangisidir?

• A) ATP harcanması
• B) Zar proteinlerinin kullanılması
• C) Derişim farkının tersine olması
• D) Yalnız gazlarda görülmesi
• E) Hiç zar gerektirmemesi

Çözüm: Protein yol açar, ama yön ve enerji bakımından taşıma yine pasiftir. Cevap: B.

• Osmozun yönünü ters kurmak. Su, çözüneni çok olan tarafa geçer.
• Kolaylaştırılmış difüzyonda ATP harcandığını sanmak. Protein kullanılır, enerji harcanmaz.
• Dengede moleküllerin durduğunu düşünmek. Hareket sürer, yalnız net akış sıfırdır.
• Bitki hücresinin hipotonik ortamda patladığını sanmak. Duvar patlamayı önler.
• Hipotonik ile hipertoniği karıştırmak. Terimler dış ortamın hücre içine göre durumunu anlatır.