Co je to hypertonické řešení?

Většina lidí si je vědoma, že slaná jídla mají tu vlastnost, že vyvolávají žízeň. Možná jste si také všimli, že velmi sladká jídla mají tendenci dělat totéž. Je to proto, že sůl (jako sodné a chloridové ionty) a cukry (jako molekuly glukózy) fungují jako aktivní osmoly když se rozpustí v tělních tekutinách, především v séru krve. To znamená, že pokud jsou rozpuštěni ve vodném roztoku nebo v biologickém ekvivalentu, mají potenciál ovlivnit směr, kterým se bude pohybovat blízká voda. (Roztokem je jednoduše voda s jednou nebo více dalšími látkami rozpuštěnými v ní.)

„Tón“ ve smyslu svalů znamená „napjatost“ nebo jinak naznačuje něco, co je fixováno tváří v tvář konkurenčním silám v tahu. Tonicita, v chemii, odkazuje na tendenci roztoku přitahovat vodu ve srovnání s nějakým jiným řešením. Studované řešení může být hypotonický, izotonický nebo hypertonický ve srovnání s referenčním řešením. Hypertonická řešení mají v kontextu života na Zemi značný význam.

Před diskusí o důsledcích relativních a absolutních koncentrací roztoků je důležité porozumět způsobům, kterými jsou kvantifikovány a vyjádřeny v analytické chemii a biochemie.

Koncentrace pevných látek rozpuštěných ve vodě (nebo jiných tekutinách) se často vyjadřuje jednoduše v jednotkách hmotnosti děleno objemem. Například hladina glukózy v séru se obvykle měří v gramech glukózy na deciliter (desetinu litru) séra nebo v g / dl. (Toto použití hmotnosti dělené objemem je podobné jako u výpočtu hustoty, kromě toho, že při měření hustoty existuje pouze jedna látka ve studii, např. gramy olova na kubický centimetr olova.) Hmotnost rozpuštěné látky na jednotku objemu rozpouštědla je také základem pro „procentní hmotnost“ Měření; například 60 g sacharózy rozpuštěné v 1 000 ml vody je 6% roztok uhlohydrátů (60/1 000 = 0,06 = 6%).

Z hlediska koncentračních gradientů, které ovlivňují pohyb vody nebo částic, je však důležité znát celkový počet částic na jednotku objemu bez ohledu na jejich velikost. Je to tato, nikoli celková hmotnost rozpuštěné látky, která ovlivňuje tento pohyb, i když to může být neintuitivní. K tomu vědci nejčastěji používají molarita (M), což je počet molů látky na jednotku objemu (obvykle litr). To je zase specifikováno molární hmotností nebo molekulovou hmotností látky. Podle konvence obsahuje jeden mol látky 6,02 × 10²³ z toho odvozený počet atomů v přesně 12 gramech elementárního uhlíku. Molární hmotnost látky je součtem atomových hmotností jejích atomů. Například vzorec pro glukózu je C₆H₁₂Ó₆ a atomová hmotnost uhlíku, vodíku a kyslíku je 12, 1, respektive 16. Molární hmotnost glukózy je tedy (6 × 12) + (12 × 1) + (6 × 16) = 180 g.

Chcete-li tedy určit molaritu 400 ml roztoku obsahujícího 90 g glukózy, nejprve určete počet přítomných molů glukózy:

(90 g) × (1 mol / 180 g) = 0,5 mol

Vydělte to počtem přítomných litrů, abyste určili molaritu:

(0,5 mol) / (0,4 L) = 1,25 M

Částice, které se v roztoku mohou volně pohybovat, se navzájem náhodně srazí a časem se změní směr jednotlivé částice vznikající při těchto srážkách se navzájem ruší, takže nedochází k žádné čisté změně koncentrace Výsledek. Řešení se říká, že je v rovnováha za těchto podmínek. Na druhou stranu, pokud se do lokalizované části řešení zavede více rozpuštěných látek, zvýší se frekvence následná srážka má za následek čistý pohyb částic z oblastí s vyšší koncentrací do oblastí s nižší koncentrací koncentrace. Toto se nazývá difúze a přispívá ke konečnému dosažení rovnováhy, dalších faktorů je konstantní.

Když se do směsi zavedou polopropustné membrány, obraz se drasticky změní. Buňky jsou uzavřeny právě takovými membránami; „polopropustný“ znamená jednoduše to, že některé látky mohou projít, zatímco jiné ne. Pokud jde o buněčné membrány, malé molekuly, jako je voda, kyslík a plynný oxid uhličitý, se mohou pohybovat do a ven z buňky jednoduchou difúzí, vyhýbáním se proteinům a lipidovým molekulám tvořícím většinu membrána. Většina molekul, včetně sodíku (Na⁺), chlorid (Cl^-) a glukóza nemůže, i když je rozdíl v koncentraci mezi vnitřkem buňky a vnějškem buňky.

Osmóza, tok vody přes membránu v reakci na rozdílné koncentrace rozpuštěných látek na obou stranách membrány, je jedním z nejdůležitějších konceptů buněčné fyziologie, které je třeba zvládnout. Asi tři čtvrtiny lidského těla se skládají z vody a podobně i pro jiné organismy. Rovnováha tekutin a posuny jsou zásadní pro doslovné přežití od okamžiku k okamžiku.

Tendence vzniku osmózy se nazývá osmotický tlak a soluty, které vedou k osmotickému tlaku, což ne všichni dělají, se nazývají aktivní osmoly. Abychom pochopili, proč k tomu dochází, je užitečné si představit vodu jako „rozpuštěnou látku“, která se v důsledku vlastního koncentračního gradientu pohybuje z jedné strany semipermeabilní membrány na druhou. Pokud je koncentrace rozpuštěné látky vyšší, je „koncentrace vody“ nižší, což znamená, že voda bude proudit ve směru vysoké koncentrace k nízké koncentraci stejně jako jakýkoli jiný aktivní osmol. Voda se jednoduše pohybuje, aby vyrovnala koncentrační vzdálenosti. Stručně řečeno, to je důvod, proč máte žízeň, když jíte slané jídlo: Váš mozek reaguje na zvýšená koncentrace sodíku ve vašem těle tím, že vás požádá, abyste do systému vložili více vody - to signalizuje žízeň.

Fenomén osmózy nutí zavedení adjektiv k popisu relativní koncentrace roztoků. Jak bylo zmíněno výše, látka, která je méně koncentrovaná než referenční roztok, se nazývá hypotonická („hypo“ je řečtina pro „pod“ nebo „nedostatek“). Pokud jsou obě řešení stejně koncentrovaná, jsou izotonická („iso“ znamená „stejný“). Pokud je roztok koncentrovanější než referenční roztok, je hypertonický („hyper“ znamená „více“ nebo „přebytek“).

Destilovaná voda je hypotonická vůči mořské vodě; mořská voda je hypertonická až destilovaná. Dva druhy sody, které obsahují přesně stejné množství cukru a dalších rozpuštěných látek, jsou izotonické.

Představte si, co by se mohlo stát živé buňce nebo skupině buněk, kdyby byl obsah vysoce koncentrovaný ve srovnání s okolními tkáněmi, to znamená, pokud jsou buňky nebo buňky hypertonické okolí. Vzhledem k tomu, co jste se dozvěděli o osmotickém tlaku, byste očekávali, že se voda dostane do buňky nebo skupiny buněk, aby vyrovnala vyšší koncentraci rozpuštěných látek ve vnitřku.

Přesně to se v praxi děje. Například lidské červené krvinky, formálně nazývané erytrocyty, mají obvykle diskovitý tvar a jsou konkávní na obou stranách, jako koláč, který byl sevřený. Pokud jsou umístěny do hypertonického roztoku, má voda tendenci opouštět červené krvinky a zanechává je zhroucené a pod mikroskopem „špičaté“. Když jsou buňky umístěny do hypotonického roztoku, má voda tendenci se pohybovat dovnitř a nafouknout buňky do kompenzovat gradient osmotického tlaku - někdy až do bodu, kdy nejen nabobtná, ale praskne buňky. Protože buňky explodující uvnitř těla nejsou obecně příznivým výsledkem, je zřejmé, že je zásadní vyhnout se velkým rozdílům osmotického tlaku v sousedních buňkách v tkáních.

Pokud se věnujete velmi dlouhému cvičení, například 26,2 mil běžeckému maratonu nebo triatlonu (plavání, jízda na kole a běh), cokoli, co jste předtím jedli, nemusí stačí na to, aby vás udržel po celou dobu události, protože vaše svaly a játra mohou ukládat jen tolik paliva, které je většinou ve formě řetězců glukózy zvaných glykogen. Na druhou stranu může být požití něčeho kromě tekutin během intenzivního cvičení jak logisticky obtížné, tak u některých lidí vyvolávající nevolnost. V ideálním případě byste tedy přijímali nějaké formy tekutin, protože ty mají tendenci být snadnější pro žaludek a pro vás by chtěl velmi těžkou kapalinu (tj. koncentrovanou) kapalinu, aby dodával do práce maximum paliva svaly.

Nebo ano? Problém tohoto velmi pravděpodobného přístupu spočívá v tom, že když jsou látky, které jíte nebo pijete, absorbovány ve vašem střevě, tento proces závisí na osmotickém gradient, který má tendenci přitahovat látky v potravinách zevnitř střeva do krve lemující vaše střevo, díky tomu, že je smeten pohybem voda. Když je tekutina, kterou konzumujete, vysoce koncentrovaná - tj. Pokud je hypertonická vůči tekutinám lemujícím střevo - naruší to normální osmotický gradient a „nasává“ vodu zpět do střeva z vnějšku, což způsobuje zastavení vstřebávání živin a maření celého účelu přijímání sladkých nápojů na jít.

Ve skutečnosti sportovní vědci studovali relativní absorpční rychlosti různých sportovních nápojů obsahující různé koncentrace cukru a shledali tento „neintuitivní“ výsledek výsledkem správný. Nápoje, které jsou hypotonické, mají tendenci se vstřebávat nejrychleji, zatímco izotonické a hypertonické nápoje se vstřebávají pomaleji, měřeno změnou koncentrace glukózy v krevní plazmě. Pokud jste někdy ochutnávali sportovní nápoje jako Gatorade, Powerade nebo All Sport, pravděpodobně jste si všimli, že chutnají méně sladce než coly nebo ovocné džusy; je to proto, že byly navrženy tak, aby měly nízkou tonicitu.

Uvažujme o problému, s nímž se potýkají mořské organismy - tj. Vodní živočichové, kteří konkrétně žijí v oceánech Země: Oni nejen že žijí v extrémně slané vodě, ale musí si z tohoto vysoce hypertonického roztoku získat vlastní vodu a jídlo druhy; navíc do něj musí vylučovat odpadní produkty (většinou jako dusík, v molekulách, jako je amoniak, močovina a kyselina močová), a také z nich čerpat kyslík.

Převládající ionty (nabité částice) v mořské vodě jsou, jak byste očekávali, Cl^- (19,4 gramů na kilogram vody) a Na⁺ (10,8 g / kg). Mezi další významné osmoly významné v mořské vodě patří síran (2,7 g / kg), hořčík (1,3 g / kg), vápník (0,4 g / kg), draslík (0,4 g / kg) a hydrogenuhličitan (0,142 g / kg).

Většina mořských organismů, jak můžete očekávat, je izotonická vůči mořské vodě jako základní důsledek evoluce; k udržení rovnováhy nepotřebují žádnou speciální taktiku, protože jejich přirozený stav jim umožnil přežít tam, kde jiné organismy nejsou a nemohou. Žraloci jsou však výjimkou, udržují si těla hypertonická vůči mořské vodě. Dosahují toho dvěma hlavními metodami: Zachovávají neobvyklé množství močoviny v krvi a moč, kterou vylučují, je ve srovnání s jejich vnitřními tekutinami velmi zředěná nebo hypotonická.