Mis on hüpertooniline lahendus?

Enamik inimesi on teadlikud, et soolastel toitudel on janu tekitamise omadus. Võib-olla olete märganud ka seda, et väga magusad toidud kipuvad tegema sama asja. Seda seetõttu, et sool (naatrium- ja kloriidioonidena) ja suhkrud (glükoosimolekulidena) toimivad aktiivsed osmoolid kehavedelikes, peamiselt vere seerumikomponendis, lahustatuna. See tähendab, et lahustatuna vesilahuses või bioloogilises ekvivalendis on neil potentsiaali mõjutada läheduses oleva vee liikumissuunda. (Lahus on lihtsalt vesi, milles on lahustatud üks või mitu muud ainet.)

"Toon" tähendab lihaste tähenduses "pinguldatust" või tähendab muul viisil midagi, mis on fikseeritud konkureerivate tõmbamisstiili jõudude ees. Toonilisustähendab keemias lahuse kalduvust vett sisse tõmmata võrreldes mõne muu lahusega. Uuritav lahendus võib olla hüpotooniline, isotooniline või hüpertooniline võrreldes võrdluslahusega. Hüpertoonilistel lahendustel on Maa elu kontekstis märkimisväärne tähendus.

Enne lahuste suhtelise ja absoluutse kontsentratsiooni tagajärgede arutamist on oluline mõista nende kvantifitseerimise ja väljendamise viise analüütilises keemias ja biokeemia.

Sageli väljendatakse vees (või muudes vedelikes) lahustunud tahkete ainete kontsentratsiooni lihtsalt massiühikutes, jagatuna mahuga. Näiteks mõõdetakse seerumi glükoosisisaldust glükoosigrammides detsiliitri (kümnendik liitri) seerumi kohta või g / dL. (See mahu järgi jagatud massikasutus on sarnane tiheduse arvutamisel kasutatule, välja arvatud see, et tiheduse mõõtmisel on ainult üks aine uuritava plii grammides pliimi kuupsentimeetri kohta.) Soluudi mass lahusti mahuühiku kohta on ka "massiprotsendi" aluseks mõõdud; näiteks 60 g sahharoosi, mis on lahustatud 1000 ml vees, on 6-protsendiline süsivesikute lahus (60/1 000 = 0,06 = 6%).

Vee või osakeste liikumist mõjutavate kontsentratsioonigradientide osas on siiski oluline teada osakeste koguarvu mahuühikus, olenemata nende suurusest. Just see, mitte kogu soluudi mass, mõjutab seda liikumist, ehkki see võib olla vastuoluline. Selleks kasutavad teadlased kõige sagedamini molaarsus (M), mis on aine moolide arv ruumalaühikus (tavaliselt liiter). Selle määrab omakorda aine molaarmass või molekulmass. Kokkuleppe kohaselt sisaldab üks mool ainet 6,02 × 10²³ osakesed, millest tuleneb aatomite arv täpselt 12 grammis elementaarsüsinikus. Aine molaarmass on selle aatomite aatommasside summa. Näiteks on glükoosi valemiks C₆H₁₂O₆ ning süsiniku, vesiniku ja hapniku aatommass on vastavalt 12, 1 ja 16. Seetõttu on glükoosi molaarmass (6 × 12) + (12 × 1) + (6 × 16) = 180 g.

Seega määrake 90 g glükoosi sisaldava lahuse 400 ml lahuse molaarsuse määramiseks kõigepealt glükoosimoolide arv:

(90 g) × (1 mol / 180 g) = 0,5 mol

Molaarsuse määramiseks jagage see olemasolevate liitritega:

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

Lahuses vabalt liikuda osakesed põrkuvad omavahel juhuslikult ja aja jooksul nendest kokkupõrgetest tulenevad üksikud osakesed tühistavad üksteise, nii et kontsentratsiooni muutust ei toimu tulemused. Väidetavalt on lahendus sees tasakaal nendel tingimustel. Teisest küljest, kui lahuste lokaliseeritud osasse lisatakse rohkem lahustunud aineid, suureneb järgnevad kokkupõrked toovad kaasa osakeste netoliikumise suurema kontsentratsiooniga aladelt madalamate aladeni kontsentratsioon. Seda nimetatakse difusiooniks ja see aitab saavutada tasakaalu, muud konstantsena hoitavad tegurid.

Pilt muutub drastiliselt, kui segule sisestatakse poolläbilaskvad membraanid. Rakud on piiratud just selliste membraanidega; "poolläbilaskev" tähendab lihtsalt seda, et mõned ained võivad läbida, teised aga mitte. Rakumembraanide osas võivad väikesed molekulid nagu vesi, hapnik ja gaasiline süsinikdioksiid liikuda ja sisse rakust välja lihtsa difusiooni teel, põgenedes valgu ja lipiidimolekulide eest, mis moodustavad suurema osa membraan. Enamik molekule, sealhulgas naatrium (Na⁺), kloriid (Cl^-) ja glükoos ei saa seda isegi siis, kui raku sisemuse ja raku välisosa vahel on kontsentratsiooni erinevus.

Osmoos, on vee vool üle membraani vastusena lahustunud aine kontsentratsioonide erinevusele membraani mõlemal küljel, on üks olulisemaid rakufüsioloogia kontseptsioone. Ligikaudu kolmveerand inimkehast koosneb veest ja sarnaselt teistele organismidele. Vedeliku tasakaal ja nihked on sõna otseses mõttes ellujäämiseks eluliselt olulised.

Osmoosi tekkimise kalduvust nimetatakse osmootseks rõhuks ja osmootse rõhu tulemuseks olevaid lahustuvaid aineid, mida mitte kõik neist ei tee, nimetatakse aktiivseteks osmoolideks. Selle mõistmiseks on kasulik mõelda veest endast kui "lahustunud ainest", mis liigub poolläbilaskva membraani ühelt küljelt teisele oma kontsentratsioonigradiendi tagajärjel. Kui lahustunud aine kontsentratsioon on suurem, on "veekontsentratsioon" madalam, mis tähendab, et vesi voolab kõrge kontsentratsiooni kuni madala kontsentratsiooni suunas nagu iga teine ​​aktiivne osmool. Vesi lihtsalt liigub kontsentratsioonivahemike ühtlustamiseks. Lühidalt öeldes on sellepärast janu, kui sööte soolast toitu: teie aju reageerib suurenenud naatriumi kontsentratsioon kehas, paludes teil süsteemi lisada rohkem vett - see annab märku janu.

Osmoosi fenomen sunnib lisade suhtelise kontsentratsiooni kirjeldamiseks kasutama omadussõnu. Nagu ülalpool puudutatud, nimetatakse võrdluslahusest vähem kontsentreeritud ainet hüpotooniliseks ("hüpo" on kreeka keeles "alla" või "puudus"). Kui mõlemad lahused on võrdselt kontsentreeritud, on need isotoonilised ("iso" tähendab "sama"). Kui lahus on kontsentreeritum kui võrdluslahus, on see hüpertooniline ("hüper" tähendab "rohkem" või "liig").

Destilleeritud vesi on merevee suhtes hüpotooniline; merevesi on destilleeritud veega hüpertooniline. Isotooniline on kahte tüüpi sooda, mis sisaldab täpselt sama kogust suhkrut ja muid lahustunud aineid.

Kujutage ette, mis võib juhtuda elusraku või rakurühmaga, kui sisu on väga kontsentreeritud võrreldes ümbritsevate kudedega, see tähendab, kui rakk või rakud on nende suhtes hüpertoonilised ümbrus. Arvestades seda, mida olete osmootse rõhu kohta õppinud, võiksite eeldada, et vesi liigub rakku või rakkude rühma, et kompenseerida soluudi suuremat kontsentratsiooni siseruumides.

Täpselt nii juhtub ka praktikas. Näiteks on inimese punased verelibled, mida ametlikult nimetatakse erütrotsüütideks, tavaliselt kettakujulised ja mõlemalt poolt nõgusad nagu näpistatud kook. Kui need pannakse hüpertoonilisse lahusesse, kipub vesi punaseid vereliblesid lahkuma, jättes need kokku kukkunud ja mikroskoobi all "turris". Rakkude paigutamisel hüpotoonilisse lahusesse kipub vesi liikuma ja rakke üles puhuma kompenseerida osmootse rõhu gradiendi - mõnikord mitte ainult turse, vaid ka lõhkemiseni rakke. Kuna keha sees plahvatavad rakud ei ole üldiselt soodne tulemus, on selge, et kudedes külgnevate rakkude suurte osmootse rõhu erinevuste vältimine on kriitiline.

Kui tegelete väga pika treeninguga, näiteks 26,2 miili jooksumaratoni või triatloniga (ujumine, rattasõit ja jooks), ei pruugi kõik, mida olete eelnevalt söönud, olla piisav, et teid kogu ürituse ajaks ülal pidada, sest teie lihased ja maks suudavad säilitada ainult nii palju kütust, millest suurem osa on glükoosi ahelatena, nn. glükogeen. Teisalt võib intensiivse treeningu ajal lisaks vedelike tarvitamine olla logistiliselt keeruline ja mõnel inimesel ka iiveldust tekitav. Ideaalis võtaksite siis mingis vormis vedelikke, kuna need kipuvad maos kergemini ja teie sooviks väga suhkrut sisaldavat (see tähendab kontsentreeritud) vedelikku, et anda töötavatele inimestele maksimaalset kütust lihased.

Või oleksite? Selle väga usutava lähenemisviisi probleem seisneb selles, et kui teie söödud või joodud ained imenduvad teie soolestikus, tugineb see protsess osmootsele gradient, mis kipub toidus sisalduvaid aineid soolestiku sisemusest verest vooderdama, tänu sellele, et vesi. Kui teie tarbitav vedelik on väga kontsentreeritud - see tähendab, et kui see on soolestikku vooderdavate vedelike suhtes hüpertooniline, häirib see seda tavalist osmootset gradiendi ja "imeb" vett väljastpoolt soolestikku tagasi, põhjustades toitainete imendumise seiskumise ja kaotades kogu suhkrurikaste jookide võtmise eesmärgi. mine.

Tegelikult on sporditeadlased uurinud erinevate spordijookide suhtelist imendumist mis sisaldavad suhkrut erinevas kontsentratsioonis ja on leidnud, et see "vastupidine" tulemus on õige. Hüpotoonilised joogid imenduvad kõige kiiremini, samas kui isotoonilised ja hüpertoonilised joogid imenduvad aeglasemalt, mõõdetuna glükoosi kontsentratsiooni muutusega vereplasmas. Kui olete kunagi proovinud spordijooke nagu Gatorade, Powerade või All Sport, olete ilmselt märganud, et need maitsevad vähem magusalt kui koolad või puuviljamahl; selle põhjuseks on asjaolu, et nende toonus on madal.

Mõelge probleemile, millega mereorganismid - st spetsiaalselt Maa ookeanides elavad veeloomad - kokku puutuvad: nemad mitte ainult ei ela äärmiselt soolases vees, vaid nad peavad sellest ülihüpertoonilisest lahusest saama oma vee ja toidu sorteerib; lisaks peavad nad sinna väljutama jääkaineid (enamasti lämmastikuna sellistes molekulides nagu ammoniaak, karbamiid ja kusihape) ning ammutama sellest hapnikku.

Merevees on domineerivad ioonid (laetud osakesed), nagu arvata võis, Cl^- (19,4 grammi kilogrammi vee kohta) ja Na⁺ (10,8 g / kg). Teiste merevees oluliste aktiivsete osmoolide hulka kuuluvad sulfaat (2,7 g / kg), magneesium (1,3 g / kg), kaltsium (0,4 g / kg), kaalium (0,4 g / kg) ja vesinikkarbonaat (0,142 g / kg).

Nagu arvata võib, on enamik mereorganisme evolutsiooni põhi tagajärjena merevee suhtes isotooniline; nad ei pea tasakaalu säilitamiseks kasutama mingeid erilisi taktikaid, sest nende loomulik seisund on võimaldanud neil ellu jääda seal, kus teistel organismidel pole ja ei saa. Haid on siiski erand, säilitades merevee suhtes hüpertoonilisi keha. Nad saavutavad selle kahe peamise meetodi abil: nende veres säilib ebatavaline kogus karbamiidi ja nende eritatav uriin on nende sisemiste vedelikega võrreldes väga lahja ehk hüpotooniline.