Was ist hypertone Lösung?

Die meisten Menschen wissen, dass salzige Speisen die Eigenschaft haben, Durst zu erzeugen. Vielleicht ist Ihnen auch aufgefallen, dass sehr süße Speisen dazu neigen, das Gleiche zu tun. Dies liegt daran, dass Salz (als Natrium- und Chloridionen) und Zucker (als Glucosemoleküle) als aktive Osmolen wenn es in Körperflüssigkeiten gelöst ist, hauptsächlich der Serumbestandteil des Blutes. Dies bedeutet, dass sie, wenn sie in wässriger Lösung oder einem biologischen Äquivalent gelöst sind, das Potenzial haben, die Bewegungsrichtung von nahem Wasser zu beeinflussen. (Eine Lösung ist einfach Wasser mit einer oder mehreren anderen darin gelösten Substanzen.)

"Ton" im Sinne von Muskeln bedeutet "Spannung" oder impliziert etwas, das angesichts konkurrierender ziehender Kräfte fixiert ist. Tonus, in der Chemie, bezieht sich auf die Tendenz einer Lösung, im Vergleich zu einer anderen Lösung Wasser anzuziehen. Die zu untersuchende Lösung kann sein: hypotonisch, isotonisch oder hypertonisch im Vergleich zur Referenzlösung. Hypertone Lösungen haben im Kontext des Lebens auf der Erde erhebliche Bedeutung.

Bevor wir die Auswirkungen der relativen und absoluten Konzentrationen von Lösungen diskutieren, ist es wichtig zu verstehen, wie diese in der analytischen Chemie quantifiziert und ausgedrückt werden und Biochemie.

Oft wird die Konzentration von in Wasser (oder anderen Flüssigkeiten) gelösten Feststoffen einfach in Masseneinheiten geteilt durch das Volumen ausgedrückt. Zum Beispiel wird Serumglucose normalerweise in Gramm Glucose pro Deziliter (Zehntel eines Liters) Serum oder g/dl gemessen. (Diese Verwendung von Masse dividiert durch Volumen ist ähnlich wie bei der Berechnung der Dichte, außer dass bei Dichtemessungen nur eine Substanz vorhanden ist untersucht, z. B. Gramm Blei pro Kubikzentimeter Blei.) Die Masse des gelösten Stoffes pro Volumeneinheit des Lösungsmittels ist auch die Grundlage für "Prozentmasse" Messungen; 60 g Saccharose, gelöst in 1.000 ml Wasser, sind beispielsweise eine 6-prozentige Kohlenhydratlösung (60/1.000 = 0,06 = 6 %).

Bei Konzentrationsgradienten, die die Bewegung von Wasser oder Partikeln beeinflussen, ist es jedoch wichtig, die Gesamtzahl der Partikel pro Volumeneinheit unabhängig von ihrer Größe zu kennen. Es ist diese, nicht die Gesamtmasse der gelösten Stoffe, die diese Bewegung beeinflusst, so widersinnig dies auch sein mag. Dafür verwenden Wissenschaftler am häufigsten Molarität (M), das ist die Molzahl einer Substanz pro Volumeneinheit (normalerweise ein Liter). Diese wiederum wird durch die Molmasse oder das Molekulargewicht einer Substanz angegeben. Gemäß Konvention enthält ein Mol einer Substanz 6,02 × 10²³ Partikel, daraus abgeleitet die Anzahl der Atome in genau 12 Gramm elementarem Kohlenstoff. Die Molmasse eines Stoffes ist die Summe der Atomgewichte seiner konstituierenden Atome. Die Formel für Glukose lautet beispielsweise C₆H₁₂Ö₆ und die Atommassen von Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff sind jeweils 12, 1 und 16. Daher beträgt die Molmasse von Glucose (6 × 12) + (12 × 1) + (6 × 16) = 180 g.

Um also die Molarität von 400 ml Lösung mit 90 g Glucose zu bestimmen, bestimmen Sie zunächst die Anzahl der vorhandenen Mole Glucose:

(90 g) × (1 mol/180 g) = 0,5 mol

Teilen Sie dies durch die Anzahl der vorhandenen Liter, um die Molarität zu bestimmen:

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

Teilchen, die sich in Lösung frei bewegen können, kollidieren zufällig miteinander, und im Laufe der Zeit ändern sich die Richtungen von einzelne Partikel, die aus diesen Kollisionen resultieren, heben sich gegenseitig auf, so dass keine Nettokonzentrationsänderung Ergebnisse. Die Lösung heißt in Gleichgewicht unter diesen Umständen. Wenn andererseits mehr gelöster Stoff in einen lokalisierten Teil der Lösungen eingeführt wird, erhöht sich die Häufigkeit von folgenden Kollisionen führen zu einer Nettobewegung von Partikeln von Bereichen höherer Konzentration in Bereiche niedrigerer Konzentration. Dies wird als Diffusion bezeichnet und trägt zum endgültigen Erreichen des Gleichgewichts bei, andere Faktoren werden konstant gehalten.

Das Bild ändert sich drastisch, wenn semipermeable Membranen in die Mischung eingebracht werden. Zellen sind von eben solchen Membranen umschlossen; "semi-permeabel" bedeutet einfach, dass einige Stoffe passieren können, während andere dies nicht können. In Zellmembranen können kleine Moleküle wie Wasser, Sauerstoff und Kohlendioxidgas in und durch einfache Diffusion aus der Zelle und weicht den Proteinen und Lipidmolekülen aus, die die meisten der Membran. Die meisten Moleküle, einschließlich Natrium (Na⁺), Chlorid (Cl^-) und Glukose nicht, selbst wenn ein Konzentrationsunterschied zwischen dem Inneren der Zelle und dem Äußeren der Zelle besteht.

Osmose, der Wasserfluss durch eine Membran als Reaktion auf unterschiedliche Konzentrationen gelöster Stoffe auf beiden Seiten der Membran, ist eines der wichtigsten zellphysiologischen Konzepte, die es zu beherrschen gilt. Der menschliche Körper besteht zu etwa drei Vierteln aus Wasser, ähnlich wie bei anderen Organismen. Flüssigkeitshaushalt und Verschiebungen sind von Moment zu Moment für das buchstäbliche Überleben von entscheidender Bedeutung.

Das Auftreten von Osmose wird als osmotischer Druck bezeichnet, und gelöste Stoffe, die zu einem osmotischen Druck führen, was nicht alle von ihnen tun, werden als aktive Osmole bezeichnet. Um zu verstehen, warum dies geschieht, ist es hilfreich, sich Wasser selbst als "gelösten Stoff" vorzustellen, der sich aufgrund seines eigenen Konzentrationsgradienten von einer Seite der semipermeablen Membran zur anderen bewegt. Wenn die Konzentration des gelösten Stoffes höher ist, ist die "Wasserkonzentration" niedriger, was bedeutet, dass Wasser wie bei jedem anderen aktiven Osmol in einer Richtung von hoher Konzentration zu niedriger Konzentration fließt. Wasser bewegt sich einfach, um Konzentrationsentfernungen auszugleichen. Kurz gesagt, das ist der Grund, warum Sie durstig werden, wenn Sie eine salzige Mahlzeit zu sich nehmen: Ihr Gehirn reagiert auf die erhöhte Natriumkonzentration in Ihrem Körper, indem Sie aufgefordert werden, mehr Wasser in das System zu geben – es signalisiert Durst.

Das Phänomen der Osmose zwingt zur Einführung von Adjektiven, um die relative Konzentration von Lösungen zu beschreiben. Wie oben erwähnt, wird eine Substanz, die weniger konzentriert ist als eine Referenzlösung, als hypotonisch bezeichnet ("hypo" ist griechisch für "unter" oder "Mangel"). Wenn die beiden Lösungen gleich konzentriert sind, sind sie isotonisch ("iso" bedeutet "gleich"). Wenn eine Lösung konzentrierter ist als die Referenzlösung, ist sie hypertonisch ("hyper" bedeutet "mehr" oder "überschuss").

Destilliertes Wasser ist gegenüber Meerwasser hypoton; Meerwasser ist hypertonisch zu destilliertem Wasser. Zwei Arten von Soda, die genau die gleiche Menge an Zucker und anderen gelösten Stoffen enthalten, sind isotonisch.

Stellen Sie sich vor, was mit einer lebenden Zelle oder einer Gruppe von Zellen passieren könnte, wenn der Inhalt hochkonzentriert wäre im Vergleich zum umgebenden Gewebe, d. h. wenn die Zelle oder Zellen hypertonisch zu ihrem Umfeld. Angesichts dessen, was Sie über den osmotischen Druck gelernt haben, würden Sie erwarten, dass Wasser in die Zelle oder Zellgruppe eindringt, um die höhere Konzentration an gelösten Stoffen im Inneren auszugleichen.

Genau das passiert in der Praxis. Zum Beispiel sind menschliche rote Blutkörperchen, die früher Erythrozyten genannt werden, normalerweise scheibenförmig und auf beiden Seiten konkav, wie ein zusammengedrückter Kuchen. Wenn diese in eine hypertonische Lösung gegeben werden, neigt Wasser dazu, die roten Blutkörperchen zu verlassen, wodurch sie kollabiert und unter dem Mikroskop "stachelig" aussehen. Wenn die Zellen in eine hypotonische Lösung gegeben werden, neigt Wasser dazu, einzudringen und die Zellen aufzublähen den osmotischen Druckgradienten ausgleichen – manchmal bis zum Anschwellen, sondern zum Platzen des Zellen. Da die Zellexplosion im Körper im Allgemeinen kein günstiges Ergebnis ist, ist es klar, dass die Vermeidung großer osmotischer Druckunterschiede in benachbarten Zellen im Gewebe entscheidend ist.

Wenn Sie eine sehr lange Trainingseinheit absolvieren, z. B. einen 42,2 Meilen langen Laufmarathon oder einen Triathlon (Schwimmen, Radfahren und Laufen), kann es sein, dass das, was Sie zuvor gegessen haben, nicht ausreichen, um Sie für die Dauer des Ereignisses zu versorgen, da Ihre Muskeln und Ihre Leber nur eine begrenzte Menge an Kraftstoff speichern können, von denen das meiste in Form von Glukoseketten vorliegt, die als bezeichnet werden Glykogen. Auf der anderen Seite kann die Einnahme von etwas anderem als Flüssigkeit während intensiver körperlicher Betätigung sowohl logistisch schwierig sein als auch bei manchen Menschen Übelkeit auslösen. Idealerweise nehmen Sie also Flüssigkeiten in irgendeiner Form zu sich, da diese tendenziell leichter für den Magen sind und Sie würde eine sehr zuckerhaltige (d. h. konzentrierte) Flüssigkeit wünschen, um den Arbeitsbetrieben maximalen Kraftstoff zu liefern Muskeln.

Oder würden Sie? Das Problem bei diesem sehr plausiblen Ansatz besteht darin, dass bei der Aufnahme von Substanzen, die Sie essen oder trinken, von Ihrem Darm aufgenommen wird, dieser Prozess auf einem osmotischen. beruht Gradient, der dazu neigt, Substanzen aus der Nahrung vom Inneren des Darms in das Blut, das Ihren Darm auskleidet, zu ziehen, dank der Bewegung von Wasser. Wenn die Flüssigkeit, die Sie konsumieren, hochkonzentriert ist – d. h. wenn sie zu den Flüssigkeiten, die den Darm auskleiden, hypertonisch ist – stört sie diesen normalen osmotischen Gradienten und "saugt" Wasser von außen in den Darm zurück, was die Aufnahme von Nährstoffen zum Stillstand bringt und den ganzen Zweck der Aufnahme von zuckerhaltigen Getränken auf der gehen.

Tatsächlich haben Sportwissenschaftler die relativen Absorptionsraten verschiedener Sportgetränke untersucht enthalten unterschiedliche Zuckerkonzentrationen und haben festgestellt, dass dieses "kontraintuitive" Ergebnis das richtige ein. Hypotonische Getränke werden tendenziell am schnellsten resorbiert, während isotonische und hypertone Getränke langsamer resorbiert werden, gemessen an der Änderung der Glukosekonzentration im Blutplasma. Wenn Sie schon einmal Sportgetränke wie Gatorade, Powerade oder All Sport probiert haben, haben Sie wahrscheinlich bemerkt, dass sie weniger süß schmecken als Cola oder Fruchtsäfte; Dies liegt daran, dass sie so entwickelt wurden, dass sie einen geringen Tonus haben.

Betrachten Sie das Problem, mit dem Meeresorganismen – also Wassertiere, die speziell in den Ozeanen der Erde leben – konfrontiert sind: Sie leben nicht nur in extrem salzhaltigem Wasser, sondern müssen auch ihr eigenes Wasser und ihre Nahrung aus dieser stark hypertonischen Lösung von sortiert; zusätzlich müssen sie dort Abfallprodukte ausscheiden (meist als Stickstoff, in Molekülen wie Ammoniak, Harnstoff und Harnsäure) sowie Sauerstoff daraus gewinnen.

Die vorherrschenden Ionen (geladene Teilchen) im Meerwasser sind erwartungsgemäß Cl^- (19,4 Gramm pro Kilogramm Wasser) und Na⁺ (10,8 g/kg). Andere wichtige aktive Osmole im Meerwasser sind Sulfat (2,7 g/kg), Magnesium (1,3 g/kg), Calcium (0,4 g/kg), Kalium (0,4 g/kg) und Bicarbonat (0,142 g/kg).

Die meisten Meeresorganismen sind, wie zu erwarten, als grundlegende Folge der Evolution zum Meerwasser isotonisch; sie brauchen keine besonderen Taktiken anzuwenden, um das Gleichgewicht zu halten, weil ihr natürlicher Zustand es ihnen ermöglicht hat, dort zu überleben, wo andere Organismen dies nicht getan haben und nicht können. Haie sind jedoch eine Ausnahme, da sie Körper erhalten, die hypertonisch gegenüber Meerwasser sind. Sie erreichen dies durch zwei Hauptmethoden: Sie behalten eine ungewöhnliche Menge an Harnstoff in ihrem Blut und der Urin, den sie ausscheiden, ist im Vergleich zu ihren inneren Flüssigkeiten sehr verdünnt oder hypoton.