Osmoregulation Definition und Erklärung

Osmoregulation ist die aktive Regulierung des osmotischen Drucks, um das Gleichgewicht von Wasser und Elektrolyten in einem Organismus aufrechtzuerhalten. Die Kontrolle des osmotischen Drucks ist erforderlich, um biochemische Reaktionen durchzuführen und die Homöostase zu bewahren.

Wie Osmoregulation funktioniert

Osmose ist die Bewegung von Lösungsmittelmolekülen durch eine semipermeable Membran in einen Bereich mit einer höheren Konzentration an gelöstem Stoff. Osmotischer Druck ist der externe Druck, der erforderlich ist, um zu verhindern, dass das Lösungsmittel die Membran passiert. Der osmotische Druck hängt von der Konzentration der gelösten Partikel ab. In einem Organismus ist das Lösungsmittel Wasser und die gelösten Partikel sind hauptsächlich gelöste Salze und andere Ionen, da größere Moleküle (Proteine ​​und Polysaccharide) und unpolare oder hydrophobe Moleküle (gelöste Gase, Lipide) keine semipermeable Membran passieren. Um den Wasser- und Elektrolythaushalt aufrechtzuerhalten, scheiden Organismen überschüssiges Wasser, gelöste Moleküle und Abfälle aus.

Osmokonformatoren und Osmoregulatoren

Es gibt zwei Strategien, um die Osmoregulation anzupassen und zu regulieren.

Osmokonformer verwenden aktive oder passive Prozesse, um ihre interne Osmolarität an die der Umgebung anzupassen. Dies ist häufig bei marinen Wirbellosen zu beobachten, die in ihren Zellen den gleichen inneren osmotischen Druck aufweisen wie das äußere Wasser, obwohl die chemische Zusammensetzung der gelösten Stoffe unterschiedlich sein kann.

Osmoregulatoren steuern den inneren osmotischen Druck, so dass die Bedingungen in einem eng regulierten Bereich gehalten werden. Viele Tiere sind Osmoregulatoren, einschließlich Wirbeltiere (wie Menschen).

Osmoregulationsstrategien verschiedener Organismen

Bakterien - Wenn die Osmolarität um Bakterien herum zunimmt, können sie Transportmechanismen verwenden, um Elektrolyte oder kleine organische Moleküle zu absorbieren. Der osmotische Stress aktiviert Gene in bestimmten Bakterien, die zur Synthese von osmoprotektiven Molekülen führen.

Protozoen - Protisten verwenden kontraktile Vakuolen, um Ammoniak und andere Ausscheidungsabfälle vom Zytoplasma zur Zellmembran zu transportieren, wo sich die Vakuole zur Umgebung öffnet. Osmotischer Druck drückt Wasser in das Zytoplasma, während Diffusion und aktiver Transport den Wasser- und Elektrolytfluss steuern.

Pflanzen - Höhere Pflanzen verwenden die Stomata an der Unterseite der Blätter, um den Wasserverlust zu kontrollieren. Pflanzenzellen sind auf Vakuolen angewiesen, um die Osmolarität des Zytoplasmas zu regulieren. Pflanzen, die in hydratisiertem Boden leben (Mesophyten), gleichen den durch die Transpiration verursachten Wasserverlust leicht aus, indem sie mehr Wasser aufnehmen. Die Blätter und Stängel der Pflanzen können durch eine wachsartige äußere Beschichtung, die als Nagelhaut bezeichnet wird, vor übermäßigem Wasserverlust geschützt werden. Pflanzen, die in trockenen Lebensräumen (Xerophyten) leben, speichern Wasser in Vakuolen, haben dicke Nagelhaut und können strukturelle Veränderungen aufweisen (d. H. Nadelförmige Blätter, geschützte Stomata), um vor Wasserverlust zu schützen. Pflanzen, die in salzhaltigen Umgebungen (Halophyten) leben, müssen nicht nur die Wasseraufnahme / den Wasserverlust regulieren, sondern auch die Auswirkung von Salz auf den osmotischen Druck. Einige Arten speichern Salze in ihren Wurzeln, so dass das geringe Wasserpotential das Lösungsmittel über Osmose anzieht. Salz kann auf die Blätter ausgeschieden werden, um Wassermoleküle für die Absorption durch die Blattzellen einzufangen. Pflanzen, die in Wasser oder feuchten Umgebungen (Hydrophyten) leben, können Wasser auf ihrer gesamten Oberfläche aufnehmen.

Tiere - Tiere verwenden ein Ausscheidungssystem, um die Menge an Wasser zu kontrollieren, die an die Umwelt verloren geht, und um den osmotischen Druck aufrechtzuerhalten. Der Proteinstoffwechsel erzeugt auch Abfallmoleküle, die den osmotischen Druck stören können. Welche Organe für die Osmoregulation verantwortlich sind, hängt von der Art ab.

Osmoregulation beim Menschen

Beim Menschen ist die Niere das Hauptorgan, das das Wasser reguliert. Wasser, Glucose und Aminosäuren können aus dem glomerulären Filtrat in den Nieren resorbiert werden oder es kann zur Ausscheidung im Urin über die Harnleiter zur Blase weitergeleitet werden. Auf diese Weise halten die Nieren den Elektrolythaushalt des Blutes aufrecht und regulieren auch den Blutdruck. Die Absorption wird durch die Hormone Aldosteron, Antidiuretikum (ADH) und Angiotensin II gesteuert. Der Mensch verliert auch Wasser und Elektrolyte durch Schweiß.

Osmorezeptoren im Hypothalamus des Gehirns überwachen Veränderungen des Wasserpotentials, kontrollieren den Durst und scheiden ADH aus. ADH wird in der Hypophyse gespeichert. Wenn es freigesetzt wird, zielt es auf die Endothelzellen in den Nephronen der Nieren ab. Diese Zellen sind einzigartig, weil sie Aquaporine enthalten. Wasser kann direkt durch Aquaporine fließen, anstatt durch die Lipiddoppelschicht der Zellmembran navigieren zu müssen. ADH öffnet die Wasserkanäle der Aquaporine und lässt Wasser fließen. Die Nieren nehmen weiterhin Wasser auf und geben es an die Blutbahn zurück, bis die Hypophyse keine ADH mehr abgibt.