Qu'est-ce que la solution hypertonique ?

La plupart des gens savent que les aliments salés ont la propriété de provoquer la soif. Peut-être avez-vous également remarqué que les aliments très sucrés ont tendance à faire la même chose. En effet, le sel (sous forme d'ions sodium et chlorure) et les sucres (sous forme de molécules de glucose) fonctionnent comme osmoles actives lorsqu'il est dissous dans les fluides corporels, principalement le composant sérique du sang. Cela signifie que, lorsqu'ils sont dissous dans une solution aqueuse ou l'équivalent biologique, ils ont le potentiel d'influencer la direction dans laquelle l'eau à proximité se déplacera. (Une solution est simplement de l'eau avec une ou plusieurs autres substances dissoutes dedans.)

« Tone », dans le sens de muscles, signifie « tendance » ou implique autrement quelque chose qui est fixé face aux forces de traction concurrentes. Tonicité, en chimie, fait référence à la tendance d'une solution à aspirer de l'eau par rapport à une autre solution. La solution à l'étude peut être

Avant de discuter des implications des concentrations relatives et absolues des solutions, il est important comprendre les manières dont celles-ci sont quantifiées et exprimées en chimie analytique et biochimie.

Souvent, la concentration de solides dissous dans l'eau (ou d'autres fluides) est exprimée simplement en unités de masse divisées par volume. Par exemple, le glucose sérique est généralement mesuré en grammes de glucose par décilitre (dixième de litre) de sérum, ou g/dL. (Cette utilisation de la masse divisée par le volume est similaire à celle utilisée pour calculer la densité, sauf que dans les mesures de densité, il n'y a qu'une seule substance à l'étude, par exemple, grammes de plomb par centimètre cube de plomb.) La masse de soluté par unité de volume de solvant est également la base du "pourcentage de masse" des mesures; par exemple, 60 g de saccharose dissous dans 1 000 ml d'eau sont une solution de glucides à 6 pour cent (60/1 000 = 0,06 = 6 %).

En termes de gradients de concentration qui affectent le mouvement de l'eau ou des particules, cependant, il est important de connaître le nombre total de particules par unité de volume, quelle que soit leur taille. C'est cela, et non la masse totale de soluté, qui influence ce mouvement, aussi contre-intuitif que cela puisse être. Pour cela, les scientifiques utilisent le plus souvent molarité (M), qui est le nombre de moles d'une substance par unité de volume (généralement un litre). Ceci à son tour est spécifié par la masse molaire, ou le poids moléculaire, d'une substance. Par convention, une mole d'une substance contient 6,02 × 10²³ particules, dérivé de ceci étant le nombre d'atomes dans précisément 12 grammes de carbone élémentaire. La masse molaire d'une substance est la somme des poids atomiques de ses atomes constitutifs. Par exemple, la formule du glucose est C₆H₁₂O₆ et les masses atomiques du carbone, de l'hydrogène et de l'oxygène sont respectivement de 12, 1 et 16. Par conséquent, la masse molaire du glucose est (6 × 12) + (12 × 1) + (6 × 16) = 180 g.

Ainsi, pour déterminer la molarité de 400 mL de solution contenant 90 g de glucose, vous devez d'abord déterminer le nombre de moles de glucose présentes :

(90 g) × (1 mol/180 g) = 0,5 mol

Divisez-le par le nombre de litres présents pour déterminer la molarité :

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

Les particules libres de se déplacer en solution entrent en collision les unes avec les autres au hasard, et au fil du temps, les directions de les particules individuelles résultant de ces collisions s'annulent de sorte qu'aucun changement net de concentration résultats. On dit que la solution est dans équilibre dans ces conditions. D'autre part, si plus de soluté est introduit dans une partie localisée des solutions, la fréquence accrue de les collisions qui s'ensuivent entraînent un mouvement net de particules des zones de concentration plus élevée vers les zones de plus faible concentration. C'est ce qu'on appelle la diffusion et contribue à l'atteinte ultime de l'équilibre, les autres facteurs étant maintenus constants.

L'image change radicalement lorsque des membranes semi-perméables sont introduites dans le mélange. Les cellules sont entourées de telles membranes; "semi-perméable" signifie simplement que certaines substances peuvent passer alors que d'autres ne le peuvent pas. En termes de membranes cellulaires, de petites molécules telles que l'eau, l'oxygène et le dioxyde de carbone peuvent entrer et hors de la cellule par simple diffusion, évitant les protéines et les molécules lipidiques formant la plupart des membrane. Cependant, la plupart des molécules, y compris le sodium (Na⁺), chlorure (Cl^-) et le glucose ne le peut pas, même lorsqu'il existe une différence de concentration entre l'intérieur de la cellule et l'extérieur de la cellule.

Osmose, le flux d'eau à travers une membrane en réponse à des concentrations différentielles de soluté de chaque côté de la membrane, est l'un des concepts de physiologie cellulaire les plus importants à maîtriser. Environ les trois quarts du corps humain sont constitués d'eau, et de même pour d'autres organismes. L'équilibre des fluides et les changements sont vitaux pour la survie littérale d'un instant à l'autre.

La tendance à l'osmose à se produire est appelée pression osmotique, et les solutés qui entraînent une pression osmotique, ce qui n'est pas le cas pour tous, sont appelés osmoles actives. Pour comprendre pourquoi cela se produit, il est utile de considérer l'eau elle-même comme un « soluté » qui se déplace d'un côté de la membrane semi-perméable à l'autre en raison de son propre gradient de concentration. Lorsque la concentration en soluté est plus élevée, la « concentration en eau » est plus faible, ce qui signifie que l'eau s'écoulera dans le sens d'une concentration élevée à une concentration faible, comme n'importe quelle autre osmole active. L'eau se déplace simplement pour égaliser les distances de concentration. En bref, voici pourquoi vous avez soif lorsque vous mangez un repas salé: votre cerveau réagit aux augmentation de la concentration de sodium dans votre corps en vous demandant de mettre plus d'eau dans le système - cela signale la soif.

Le phénomène d'osmose oblige à introduire des adjectifs pour décrire la concentration relative des solutions. Comme évoqué ci-dessus, une substance qui est moins concentrée qu'une solution de référence est appelée hypotonique ("hypo'" est le grec pour "sous" ou "carence"). Lorsque les deux solutions sont également concentrées, elles sont isotoniques ("iso" signifie "même"). Lorsqu'une solution est plus concentrée que la solution de référence, elle est hypertonique ("hyper" signifie "plus" ou "excès").

L'eau distillée est hypotonique pour l'eau de mer; l'eau de mer est hypertonique par rapport à l'eau distillée. Deux sortes de soda qui contiennent exactement la même quantité de sucre et d'autres solutés sont isotoniques.

Imaginez ce qui pourrait arriver à une cellule vivante ou à un groupe de cellules si le contenu était très concentré par rapport aux tissus environnants, c'est-à-dire si la ou les cellules sont hypertoniques par rapport à leur alentours. Compte tenu de ce que vous avez appris sur la pression osmotique, vous vous attendriez à ce que l'eau pénètre dans la cellule ou le groupe de cellules pour compenser la concentration plus élevée de solutés à l'intérieur.

C'est exactement ce qui se passe en pratique. Par exemple, les globules rouges humains, anciennement appelés érythrocytes, sont normalement en forme de disque et concaves des deux côtés, comme un gâteau qui a été pincé. Si ceux-ci sont placés dans une solution hypertonique, l'eau a tendance à quitter les globules rouges, les laissant effondrés et « pointus » au microscope. Lorsque les cellules sont placées dans une solution hypotonique, l'eau a tendance à entrer et à gonfler les cellules pour compenser le gradient de pression osmotique - parfois au point non seulement de gonfler mais de faire éclater le cellules. Étant donné que l'explosion des cellules à l'intérieur du corps n'est généralement pas une issue favorable, il est clair qu'il est essentiel d'éviter les différences de pression osmotique majeures dans les cellules adjacentes des tissus.

Si vous êtes engagé dans une très longue période d'exercice, comme un marathon de course de 26,2 milles ou un triathlon (une natation, une balade à vélo et une course), tout ce que vous avez mangé auparavant peut ne pas suffire à vous soutenir pendant toute la durée de l'événement car vos muscles et votre foie ne peuvent stocker qu'une quantité limitée de carburant, dont la plupart se présentent sous la forme de chaînes de glucose appelées glycogène. D'un autre côté, ingérer autre chose que des liquides pendant un exercice intense peut être à la fois difficile sur le plan logistique et, chez certaines personnes, provoquer des nausées. Idéalement, vous devriez donc prendre des liquides d'une certaine forme, car ils ont tendance à être plus faciles pour l'estomac, et vous voudrait un liquide très riche en sucre (c'est-à-dire concentré) afin de fournir un maximum de carburant au travail muscles.

Ou le feriez-vous? Le problème avec cette approche très plausible est que lorsque les substances que vous mangez ou buvez sont absorbées par votre intestin, ce processus repose sur un processus osmotique. gradient qui a tendance à attirer les substances contenues dans les aliments de l'intérieur de l'intestin vers le sang qui tapisse votre intestin, grâce au mouvement de l'eau. Lorsque le liquide que vous consommez est très concentré - c'est-à-dire s'il est hypertonique pour les fluides qui tapissent l'intestin - il perturbe ce gradient osmotique normal et « aspire » l'eau de l'extérieur dans l'intestin, ce qui ralentit l'absorption des nutriments et annule l'objectif de prendre des boissons sucrées sur le va.

En fait, les scientifiques du sport ont étudié les taux d'absorption relatifs de différentes boissons pour sportifs contenant des concentrations variables de sucre et ont trouvé que ce résultat "contre-intuitif" était le corriger un. Les boissons hypotoniques ont tendance à être absorbées le plus rapidement, tandis que les boissons isotoniques et hypertoniques sont absorbées plus lentement, tel que mesuré par la variation de la concentration de glucose dans le plasma sanguin. Si vous avez déjà goûté des boissons pour sportifs telles que Gatorade, Powerade ou All Sport, vous avez probablement remarqué qu'elles ont un goût moins sucré que les colas ou les jus de fruits; c'est parce qu'ils ont été conçus pour être de faible tonicité.

Considérez le problème auquel sont confrontés les organismes marins, c'est-à-dire les animaux aquatiques qui vivent spécifiquement dans les océans de la Terre: ils non seulement vivent dans de l'eau extrêmement salée, mais ils doivent obtenir leur propre eau et nourriture de cette solution hautement hypertonique de sortes; en outre, ils doivent y excréter des déchets (principalement sous forme d'azote, dans des molécules telles que l'ammoniac, l'urée et l'acide urique) et en tirer de l'oxygène.

Les ions prédominants (particules chargées) dans l'eau de mer sont, comme on peut s'y attendre, Cl^- (19,4 grammes par kilogramme d'eau) et Na⁺ (10,8 g/kg). Les autres osmoles actives importantes dans l'eau de mer comprennent le sulfate (2,7 g/kg), le magnésium (1,3 g/kg), le calcium (0,4 g/kg), le potassium (0,4 g/kg) et le bicarbonate (0,142 g/kg).

La plupart des organismes marins, comme on peut s'y attendre, sont isotoniques à l'eau de mer en tant que conséquence fondamentale de l'évolution; ils n'ont pas besoin d'employer de tactiques spéciales pour maintenir l'équilibre parce que leur état naturel leur a permis de survivre là où d'autres organismes ne l'ont pas fait et ne le peuvent pas. Les requins, cependant, sont une exception, maintenant des corps hypertoniques à l'eau de mer. Ils y parviennent grâce à deux méthodes principales: ils retiennent une quantité inhabituelle d'urée dans leur sang et l'urine qu'ils excrétent est très diluée, ou hypotonique, par rapport à leurs fluides internes.