Hvad er hypertonisk løsning?

De fleste mennesker er opmærksomme på, at salt mad har den egenskab, at det fremkalder tørst. Måske har du også bemærket, at meget søde fødevarer har tendens til at gøre det samme. Dette skyldes, at salt (som natrium- og chloridioner) og sukker (som glukosemolekyler) fungerer som aktive osmoles når de opløses i kropsvæsker, primært blodkomponenten i serum. Dette betyder, at når de opløses i vandig opløsning eller den biologiske ækvivalent, har de potentialet til at påvirke retningen, hvor vand i nærheden bevæger sig. (En opløsning er simpelthen vand med et eller flere andre stoffer opløst i den.)

"Tone", i betydningen muskler, betyder "stramhed" eller på anden måde indebærer noget, der er fastgjort over for konkurrerende kræfter i trækstil. Toniciteti kemi henviser til tendensen hos en opløsning til at trække vand i forhold til en anden opløsning. Løsningen, der undersøges, kan være hypotonisk, isotonisk eller hypertonisk sammenlignet med referenceopløsningen. Hypertoniske løsninger har betydelig betydning i sammenhæng med livet på jorden.

Før vi diskuterer implikationerne af relative og absolutte koncentrationer af løsninger, er det vigtigt at forstå måder, hvorpå disse kvantificeres og udtrykkes i analytisk kemi og biokemi.

Ofte udtrykkes koncentrationen af ​​faste stoffer opløst i vand (eller andre væsker) simpelthen i masseenheder divideret med volumen. For eksempel måles serumglucose normalt i gram glucose pr. Deciliter (tiendedel liter) serum eller g / dL. (Denne anvendelse af masse divideret med volumen svarer til den, der bruges til at beregne densitet, bortset fra at der i densitetsmålinger kun er et stof under undersøgelse, f.eks. gram bly pr. kubikcentimeter bly.) Massen af ​​opløst stof pr. enhed volumen opløsningsmiddel er også grundlaget for "procent masse" målinger; for eksempel er 60 g saccharose opløst i 1.000 ml vand en 6 procent kulhydratopløsning (60 / 1.000 = 0,06 = 6%).

Med hensyn til koncentrationsgradienter, der påvirker bevægelsen af ​​vand eller partikler, er det imidlertid vigtigt at kende det samlede antal partikler pr. Volumenenhed, uanset deres størrelse. Det er denne, ikke den samlede opløste masse, der påvirker denne bevægelse, kontraintuitiv, selvom dette kan være. Til dette bruger forskere oftest molaritet (M), hvilket er antallet af mol af et stof pr. volumen enhed (normalt en liter). Dette specificeres igen af ​​et stofs molmasse eller molekylvægt. Som konvention indeholder en mol af et stof 6,02 × 10²³ partikler, heraf er antallet af atomer i nøjagtigt 12 gram elementært kulstof. Den molære masse af et stof er summen af ​​atomvægten af ​​dets bestanddele. For eksempel er formlen for glucose C₆H₁₂O₆ og atommasserne af kulstof, brint og ilt er henholdsvis 12, 1 og 16. Derfor er den molære masse af glukose (6 × 12) + (12 × 1) + (6 × 16) = 180 g.

For at bestemme molariteten på 400 ml opløsning indeholdende 90 g glukose skal du først bestemme antallet af tilstedeværende glukose:

(90 g) × (1 mol / 180 g) = 0,5 mol

Del dette med antallet af liter til stede for at bestemme molariteten:

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

Partikler, der er frie til at bevæge sig i opløsning, kolliderer tilfældigt med hinanden og over tid retningen af individuelle partikler, der er resultatet af disse kollisioner, annullerer hinanden, så der ikke sker nogen ændringer i koncentrationen resultater. Løsningen siges at være i ligevægt under disse forhold. På den anden side, hvis mere opløst stof introduceres i en lokal del af opløsningerne, øges frekvensen af kollisioner, der følger, resulterer i en nettobevægelse af partikler fra områder med højere koncentration til områder med lavere koncentration. Dette kaldes diffusion og bidrager til den ultimative opnåelse af ligevægt, andre faktorer holdes konstant.

Billedet ændres drastisk, når semi-permeable membraner introduceres til blandingen. Celler er lukket af netop sådanne membraner; "semi-permeabel" betyder ganske enkelt, at nogle stoffer kan passere, mens andre ikke kan. Med hensyn til cellemembraner kan små molekyler som vand, ilt og kuldioxidgas bevæge sig ind i og ud af cellen via simpel diffusion, undviger proteinerne og lipidmolekylerne, der danner det meste af membran. De fleste molekyler, dog inklusive natrium (Na⁺), chlorid (Cl^-) og glukose kan ikke, selv når der er en koncentrationsforskel mellem det indre af cellen og det ydre af cellen.

Osmose, strømmen af ​​vand over en membran som reaktion på forskellige opløste koncentrationer på hver side af membranen, er et af de vigtigste cellulære fysiologiske begreber at mestre. Omkring tre fjerdedele af menneskekroppen består af vand og tilsvarende for andre organismer. Væskebalance og skift er afgørende for bogstavelig overlevelse fra et øjeblik til et øjeblik.

Tendensen til osmose til at forekomme kaldes osmotisk tryk, og opløste stoffer, der resulterer i osmotisk tryk, som ikke alle gør, kaldes aktive osmoler. For at forstå hvorfor det sker, er det nyttigt at tænke på selve vandet som en "opløst stof", der bevæger sig fra den ene side af den semipermeable membran til den anden som et resultat af dets egen koncentrationsgradient. Hvor koncentrationen af ​​opløst stof er højere, er "vandkoncentrationen" lavere, hvilket betyder, at vandet strømmer i en retning med høj koncentration til lav koncentration ligesom enhver anden aktiv osmol. Vand bevæger sig simpelthen for at udjævne koncentrationsafstande. I en nøddeskal er det derfor, du bliver tørstig, når du spiser et salt måltid: Din hjerne reagerer på øget natriumkoncentration i din krop ved at bede dig om at lægge mere vand i systemet - det signalerer tørst.

Fænomenet osmose tvinger introduktionen af ​​adjektiver til at beskrive den relative koncentration af opløsninger. Som berørt ovenfor kaldes et stof, der er mindre koncentreret end en referenceopløsning, hypotonisk ("hypo" er græsk for "under" eller "mangel"). Når de to opløsninger er lige koncentrerede, er de isotoniske ("iso" betyder "samme"). Når en opløsning er mere koncentreret end referenceopløsningen, er den hypertonisk ("hyper" betyder "mere" eller "overskydende").

Destilleret vand er hypotonisk for havvand; havvand er hypertonisk til destilleret vand. To slags sodavand, der indeholder nøjagtig den samme mængde sukker og andre opløste stoffer, er isotonisk.

Forestil dig, hvad der kan ske med en levende celle eller gruppe af celler, hvis indholdet var stærkt koncentreret sammenlignet med det omgivende væv, hvilket betyder, at cellen eller cellerne er hypertoniske til deres omgivelser. I betragtning af hvad du har lært om osmotisk tryk, ville du forvente, at vand bevæger sig ind i cellen eller gruppen af ​​celler for at udligne den højere koncentration af opløste stoffer i det indre.

Dette er præcis, hvad der sker i praksis. For eksempel er humane røde blodlegemer, formelt kaldet erythrocytter, normalt skiveformede og konkave på begge sider, som en kage, der er blevet klemt. Hvis disse placeres i en hypertonisk opløsning, har vand en tendens til at forlade de røde blodlegemer, hvilket efterlader dem kollapsede og "spiky" - under et mikroskop. Når cellerne placeres i en hypotonisk opløsning, har vand en tendens til at bevæge sig ind og oppustede cellerne til opveje den osmotiske trykgradient - undertiden til det punkt, at den ikke kun hæver, men sprænger celler. Da celler, der eksploderer inde i kroppen, generelt ikke er et gunstigt resultat, er det klart, at det er kritisk at undgå store osmotiske trykforskelle i tilstødende celler i væv.

Hvis du deltager i en meget lang træningsperiode, såsom en løbemarathon på 26,2 kilometer eller en triatlon (en svømmetur, en cykeltur og et løb), hvad du end har spist på forhånd, kan være nok til at opretholde dig under arrangementets varighed, fordi dine muskler og lever kun kan gemme så meget brændstof, hvoraf det meste er i form af glukokæder kaldet glykogen. På den anden side kan indtagelse af andet end væsker under intens træning være både logistisk vanskeligt og hos nogle mennesker kvalmefremkaldende. Ideelt set ville du tage væsker af en eller anden form, fordi disse har tendens til at være lettere for maven, og du ønsker en meget sukker-tung (dvs. koncentreret) væske for at levere maksimalt brændstof til arbejdet muskler.

Eller ville du? Problemet med denne meget plausible tilgang er, at når stoffer du spiser eller drikker absorberes af tarmen, er denne proces afhængig af en osmotisk gradient, der har tendens til at trække stoffer i mad fra indersiden af ​​tarmen til blodet i din tarm takket være at blive fejet op af bevægelsen af vand. Når den væske, du spiser, er stærkt koncentreret - det vil sige, hvis den er hypertonisk til væskerne i tarmen - forstyrrer den denne normale osmotiske gradient og "suger" vand tilbage ind i tarmen udefra, hvilket får absorptionen af ​​næringsstoffer til at stoppe og besejrer hele formålet med at indtage sukkerholdige drikkevarer på gå.

Faktisk har sportsforskere undersøgt de relative absorptionshastigheder for forskellige sportsdrikke indeholdende varierende koncentrationer af sukker og har fundet dette "kontraintuitive" resultat at være korrekt en. Drikkevarer, der er hypotone, absorberes ofte hurtigst, mens isotoniske og hypertoniske drikkevarer absorberes langsommere målt ved ændringen i glukosekoncentrationen i blodplasma. Hvis du nogensinde har prøvet sportsdrikke som Gatorade, Powerade eller All Sport, har du sandsynligvis bemærket, at de smager mindre søde end cola eller frugtsaft; dette er fordi de er konstrueret til at have lav tonicitet.

Overvej det problem, som marine organismer - dvs. vanddyr, der specifikt lever i jordens have - står over for: De lever ikke kun i ekstremt salt vand, men de skal få deres eget vand og mad fra denne meget hypertoniske opløsning af slags; derudover skal de udskille affaldsprodukter i det (for det meste som nitrogen, i molekyler som ammoniak, urinstof og urinsyre) samt udlede ilt fra det.

De dominerende ioner (ladede partikler) i havvand er, som man kunne forvente, Cl^- (19,4 gram pr. Kg vand) og Na⁺ (10,8 g / kg). Andre aktive osmoler med betydning i havvand inkluderer sulfat (2,7 g / kg), magnesium (1,3 g / kg), calcium (0,4 g / kg), kalium (0,4 g / kg) og bicarbonat (0,142 gr / kg).

De fleste marine organismer er, som man kunne forvente, isotoniske for havvand som en grundlæggende konsekvens af evolution; de har ikke brug for nogen speciel taktik for at opretholde ligevægt, fordi deres naturlige tilstand har gjort det muligt for dem at overleve, hvor andre organismer ikke har og ikke kan. Hajer er dog en undtagelse, idet de opretholder kroppe, der er hypertoniske over for havvand. De opnår dette gennem to hovedmetoder: De bevarer en usædvanlig mængde urinstof i blodet, og urinen, de udskiller, er meget fortyndet eller hypotonisk sammenlignet med deres indre væsker.