Mikä on hypertoninen ratkaisu?

Useimmat ihmiset ovat tietoisia siitä, että suolaisilla elintarvikkeilla on ominaisuus jano. Ehkä olet myös huomannut, että erittäin makeat ruoat tekevät yleensä saman. Tämä johtuu siitä, että suola (natrium- ja kloridi-ioneina) ja sokerit (glukoosimolekyyleinä) toimivat kuten aktiiviset osmolit liuotettuna kehon nesteisiin, pääasiassa veren seerumikomponenttiin. Tämä tarkoittaa, että liuotettuna vesiliuokseen tai biologiseen ekvivalenttiin ne voivat vaikuttaa suuntaan, johon lähellä oleva vesi liikkuu. (Liuos on yksinkertaisesti vesi, johon on liuotettu yksi tai useampi muu aine.)

"Sävy" tarkoittaa lihasten mielessä "kireyttä" tai tarkoittaa muuten jotain, joka on kiinteä kilpailevien vetotyylisten voimien edessä. Tonicity, kemiassa, viittaa liuoksen taipumukseen vetää vettä verrattuna johonkin muuhun liuokseen. Tutkittava ratkaisu voi olla hypotoninen, isotoninen tai hypertoninen verrattuna vertailuliuokseen. Hypertonisilla ratkaisuilla on huomattava merkitys maan päällä.

Ennen kuin keskustellaan suhteellisten ja absoluuttisten liuospitoisuuksien vaikutuksista, on tärkeää ymmärtää tapoja, joilla nämä kvantifioidaan ja ilmaistaan ​​analyyttisessä kemiassa ja biokemia.

Usein veteen (tai muihin nesteisiin) liuenneiden kiintoaineiden pitoisuus ilmaistaan ​​yksinkertaisesti massayksikköinä jaettuna tilavuuteen. Esimerkiksi seerumin glukoosi mitataan yleensä grammoina glukoosia desilitraa kohti (kymmenesosa litraa) seerumia tai g / dl. (Tämä massan käyttö tilavuudella jaettuna on samanlainen kuin tiheyden laskemisessa, paitsi että tiheysmittauksissa on vain yksi aine esimerkiksi grammaa lyijyä lyijyn kuutiosenttimetriä kohti.) Liuoteaineen massa liuotinyksikköä kohti on myös "massaprosentin" perusta mitat; esimerkiksi 60 g sakkaroosia liuotettuna 1000 ml: aan vettä on 6 prosentin hiilihydraattiliuos (60/1 000 = 0,06 = 6%).

Veden tai hiukkasten liikkeeseen vaikuttavien pitoisuusgradienttien suhteen on kuitenkin tärkeää tietää hiukkasten kokonaismäärä tilavuusyksikköä kohti niiden koosta riippumatta. Juuri tämä, ei koko liuenneen aineen massa, vaikuttaa tähän liikkeeseen, vaikka se olisikin vasta-intuitiivinen. Tätä varten tutkijat käyttävät yleisimmin molaarisuus (M), mikä on aineen moolien määrä tilavuusyksikköä kohti (yleensä litra). Tämä puolestaan ​​määritetään aineen moolimassa tai molekyylipaino. Yleensä yksi mooli ainetta sisältää 6,02 × 10²³ hiukkasia, jotka ovat peräisin atomien lukumäärästä tarkalleen 12 grammassa alkuainehiiltä. Aineen moolimassa on sen muodostavien atomien atomipainojen summa. Esimerkiksi glukoosin kaava on C₆H₁₂O₆ ja hiilen, vedyn ja hapen atomimassat ovat vastaavasti 12, 1 ja 16. Siksi glukoosin moolimassa on (6x12) + (12x1) + (6x16) = 180 g.

Täten 400 g liuoksen, joka sisältää 90 g glukoosia, molaarisuuden määrittämiseksi määrität ensin läsnä olevan glukoosimoolien määrän:

(90 g) × (1 mol / 180 g) = 0,5 mol

Jakamalla tämä moolimäärän määrällä läsnä olevilla litroilla:

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

Hiukkaset, jotka voivat liikkua vapaasti liuoksessa, törmäävät toisiinsa satunnaisesti ja ajan mittaan näistä törmäyksistä johtuvat yksittäiset hiukkaset kumoavat toisensa niin, ettei konsentraation nettomuutosta tuloksia. Ratkaisun sanotaan olevan tasapaino näissä olosuhteissa. Toisaalta, jos enemmän liuenneita aineita lisätään liuosten lokalisoituun osaan, liuoksen lisääntynyt taajuus Seuraavat törmäykset johtavat hiukkasten nettoliikkeeseen alueilta, joilla on suurempi pitoisuus alemmille pitoisuus. Tätä kutsutaan diffuusioksi ja se edistää tasapainon lopullista saavuttamista, muut tekijät pysyvät vakiona.

Kuva muuttuu dramaattisesti, kun seokseen lisätään puoliläpäiseviä kalvoja. Solut suljetaan juuri sellaisilla kalvoilla; "puoliläpäisevä" tarkoittaa yksinkertaisesti sitä, että jotkut aineet voivat kulkeutua muiden läpi. Solukalvojen suhteen pienet molekyylit, kuten vesi, happi ja hiilidioksidikaasu, voivat liikkua ja ulos solusta yksinkertaisen diffuusion avulla, välttäen proteiinit ja lipidimolekyylit, jotka muodostavat suurimman osan kalvo. Suurin osa molekyyleistä, mukaan lukien natrium (Na⁺), kloridi (Cl^-) ja glukoosi ei voi, vaikka solun sisäosan ja solun ulkopinnan välillä olisi pitoisuusero.

Osmoosi, veden virtaus kalvon läpi vasteena erilaisille liuenneiden aineiden pitoisuuksille kalvon kummallakin puolella on yksi tärkeimmistä hallittavista solufysiologisista käsitteistä. Noin kolme neljäsosaa ihmiskehosta koostuu vedestä ja samalla tavoin muille organismeille. Nestetasapaino ja siirtymät ovat elintärkeitä kirjaimelliselle selviytymiselle hetkestä toiseen.

Osmoosin taipumusta esiintyä kutsutaan osmoottiseksi paineeksi, ja liuenneita aineita, jotka johtavat osmoottiseen paineeseen, joita kaikki eivät tee, kutsutaan aktiivisiksi osmooleiksi. Sen ymmärtämiseksi, miksi se tapahtuu, on hyödyllistä ajatella itse vettä "liuenneena aineena", joka liikkuu puoliläpäisevän kalvon yhdeltä puolelta toiselle oman pitoisuusgradienttinsa seurauksena. Jos liuenneen aineen pitoisuus on korkeampi, "vesipitoisuus" on pienempi, mikä tarkoittaa, että vesi virtaa suuresta pitoisuudesta vähäiseen pitoisuuteen kuten mikä tahansa muu aktiivinen osmoli. Vesi yksinkertaisesti tasoittaa pitoisuusetäisyydet. Pähkinänkuoressa tästä syystä janoisit, kun syöt suolaisen aterian: Aivosi reagoivat lisääntynyt natriumpitoisuus kehossasi pyytämällä sinua lisäämään järjestelmään enemmän vettä - se antaa signaalin jano.

Osmoosi-ilmiö pakottaa adjektiivien käyttöönoton kuvaamaan liuosten suhteellista pitoisuutta. Kuten yllä on kosketettu, ainetta, joka on vähemmän väkevöity kuin vertailuliuos, kutsutaan hypotoniseksi ("hypo" on kreikan kieli "alle" tai "puute"). Kun nämä kaksi liuosta ovat yhtä väkevöityjä, ne ovat isotonisia ("iso" tarkoittaa "sama"). Kun liuos on väkevämpi kuin vertailuliuos, se on hypertoninen ("hyper" tarkoittaa "enemmän" tai "ylimääräinen").

Tislattu vesi on merivedelle hypotoninen; merivesi on hypertonista tislatulle vedelle. Kaksi erilaista soodaa, jotka sisältävät täsmälleen saman määrän sokeria ja muita liuenneita aineita, ovat isotonisia.

Kuvittele, mitä voisi tapahtua elävälle solulle tai soluryhmälle, jos sisältö olisi erittäin väkevää verrattuna ympäröiviin kudoksiin, mikä tarkoittaa, jos solu tai solut ovat hypertonisia niiden suhteen ympäristö. Ottaen huomioon, mitä olet oppinut osmoottisesta paineesta, voit odottaa veden siirtyvän soluun tai soluryhmään kompensoimaan liuenneiden aineiden korkeamman pitoisuuden sisätiloissa.

Näin tapahtuu käytännössä. Esimerkiksi ihmisen punasolut, joita virallisesti kutsutaan punasoluiksi, ovat tavallisesti kiekon muotoisia ja koveria molemmilta puolilta, kuten puristettu kakku. Jos nämä laitetaan hypertoniseen liuokseen, vesi pyrkii poistumaan punasoluista, jolloin ne ovat romahtaneet ja "piikikäs" näköisiä mikroskoopilla. Kun solut asetetaan hypotoniseen liuokseen, vedellä on taipumus liikkua sisään ja turvota solut siihen kompensoi osmoottisen paineen gradientin - joskus siihen pisteeseen, että se ei pelkästään turpoaa vaan räjähtää soluja. Koska kehon sisällä räjähtävät solut eivät yleensä ole suotuisia tuloksia, on selvää, että suurten osmoottisten paine-erojen välttäminen vierekkäisissä soluissa kudoksissa on kriittistä.

Jos harjoittelet erittäin pitkää liikuntaa, kuten 26,2 mailin juoksumaraton tai triathlon (uinti, pyöräretki ja juoksu), mitä olet syönyt etukäteen, ei välttämättä riitä ylläpitämään sinua koko tapahtuman ajan, koska lihaksesi ja maksasi voivat varastoida vain niin paljon polttoainetta, joista suurin osa on glukoosiketjuina glykogeeni. Toisaalta kaiken nesteiden nauttiminen nesteiden lisäksi voi olla sekä logistisesti vaikeaa että joillekin ihmisille pahoinvointia aiheuttavaa. Ihannetapauksessa ottaisit sitten jonkinlaista nestettä, koska nämä ovat yleensä helpompia vatsassa, ja sinä haluaisi erittäin sokeripitoisen (ts. väkevöidyn) nesteen toimiakseen mahdollisimman paljon polttoainetta lihakset.

Vai olisitko? Tämän erittäin uskottavan lähestymistavan ongelmana on, että kun suolesi imeytyy syömäsi tai juomasi aineet, tämä prosessi perustuu osmoottiseen kaltevuus, jolla on taipumus vetää elintarvikkeissa olevia aineita suolen sisäosasta suolen vuoraavaan vereen, kiitos sen vettä. Kun käyttämäsi neste on erittäin väkevää - toisin sanoen jos se on hypertoninen suolen vuorauksille - se häiritsee tätä normaalia osmoottista gradienttia ja "imee" vettä takaisin suolistoon ulkopuolelta, mikä saa ravinteiden imeytymisen pysähtymään ja voittaa sokeristen juomien ottamisen koko tarkoituksen mennä.

Itse asiassa urheilututkijat ovat tutkineet eri urheilujuomien suhteellisia imeytymisnopeuksia joka sisältää vaihtelevia sokeripitoisuuksia ja jotka ovat havainneet tämän "vastahakoisen" tuloksen olevan oikea. Hypotoniset juomat imeytyvät yleensä nopeimmin, kun taas isotoniset ja hypertoniset juomat imeytyvät hitaammin mitattuna veriplasman glukoosipitoisuuden muutoksella. Jos olet joskus kokeillut urheilujuomia, kuten Gatorade, Powerade tai All Sport, olet todennäköisesti huomannut, että ne maistuvat vähemmän makealta kuin colat tai hedelmämehut; tämä johtuu siitä, että ne on suunniteltu vähäisiksi.

Harkitse ongelmaa, jota meren eliöt, erityisesti vesieläimet, jotka elävät erityisesti maapallon valtamerissä, kohtaavat: He eivät vain asu erittäin suolaisessa vedessä, mutta heidän on hankittava oma vesi ja ruoka tästä erittäin hypertonisesta liuoksesta lajittelee; Lisäksi heidän on eritettävä siihen jätetuotteita (enimmäkseen typpeä, molekyyleissä, kuten ammoniakki, urea ja virtsahappo) sekä johdettava siitä happea.

Merivedessä hallitsevat ionit (varatut hiukkaset) ovat, kuten voit odottaa, Cl^- (19,4 grammaa / kg vettä) ja Na⁺ (10,8 g / kg). Muita aktiivisia osmoleja, joilla on merkitystä merivedessä, ovat sulfaatti (2,7 g / kg), magnesium (1,3 g / kg), kalsium (0,4 g / kg), kalium (0,4 g / kg) ja bikarbonaatti (0,142 g / kg).

Useimmat meren eliöt, kuten voit odottaa, ovat merivedelle isotonisia evoluution perimmäisenä seurauksena; heidän ei tarvitse käyttää mitään erityistä taktiikkaa tasapainon ylläpitämiseksi, koska niiden luonnollinen tila on antanut heille mahdollisuuden selviytyä siellä, missä muut organismit eivät ole ja eivät voi. Hait ovat kuitenkin poikkeus, ja ne säilyttävät merivedelle hypertonisia ruumiita. He saavuttavat tämän kahdella päämenetelmällä: Heillä on veressä epätavallinen määrä ureaa, ja niiden erittämä virtsa on hyvin laimeaa tai hypotonista verrattuna niiden sisäisiin nesteisiin.