Cos'è la soluzione ipertonica?

La maggior parte delle persone è consapevole che i cibi salati hanno la proprietà di indurre la sete. Forse hai anche notato che i cibi molto dolci tendono a fare la stessa cosa. Questo perché il sale (come ioni sodio e cloruro) e gli zuccheri (come molecole di glucosio) funzionano come osmoli attive quando disciolto nei fluidi corporei, principalmente il componente sierico del sangue. Ciò significa che, quando disciolti in una soluzione acquosa o nell'equivalente biologico, hanno il potenziale per influenzare la direzione in cui si muoverà l'acqua vicina. (Una soluzione è semplicemente acqua con una o più altre sostanze disciolte in essa.)

"Tono", nel senso di muscoli, significa "tensione" o altrimenti implica qualcosa che è fisso di fronte a forze in competizione nello stile di trazione. Tonicità, in chimica, si riferisce alla tendenza di una soluzione ad assorbire acqua rispetto a qualche altra soluzione. La soluzione allo studio potrebbe essere ipotonico, isotonico o ipertonico rispetto alla soluzione di riferimento. Le soluzioni ipertoniche hanno un significato considerevole nel contesto della vita sulla Terra.

Prima di discutere le implicazioni delle concentrazioni relative e assolute delle soluzioni, è importante comprendere i modi in cui questi vengono quantificati ed espressi nella chimica analitica e biochimica.

Spesso la concentrazione dei solidi disciolti nell'acqua (o in altri fluidi) è espressa semplicemente in unità di massa divise per volume. Ad esempio, la glicemia viene solitamente misurata in grammi di glucosio per decilitro (decimo di litro) di siero, o g/dL. (Questo uso della massa divisa per il volume è simile a quello usato per calcolare la densità, tranne che nelle misurazioni della densità, c'è solo una sostanza in fase di studio, ad esempio, grammi di piombo per centimetro cubo di piombo.) La massa di soluto per unità di volume di solvente è anche la base per la "massa percentuale" misurazioni; ad esempio, 60 g di saccarosio disciolti in 1.000 ml di acqua sono una soluzione di carboidrati al 6% (60/1.000 = 0,06 = 6%).

In termini di gradienti di concentrazione che influenzano il movimento dell'acqua o delle particelle, tuttavia, è importante conoscere il numero totale di particelle per unità di volume, indipendentemente dalla loro dimensione. È questa, non la massa totale del soluto, che influenza questo movimento, per quanto controintuitivo possa essere. Per questo, gli scienziati usano più comunemente molarità (M), che è il numero di moli di una sostanza per unità di volume (di solito un litro). Questo a sua volta è specificato dalla massa molare, o peso molecolare, di una sostanza. Per convenzione, una mole di una sostanza contiene 6,02 × 10²³ particelle, derivato da questo essendo il numero di atomi in precisamente 12 grammi di carbonio elementare. La massa molare di una sostanza è la somma dei pesi atomici dei suoi atomi costituenti. Ad esempio, la formula per il glucosio è C₆H₁₂oh₆ e le masse atomiche di carbonio, idrogeno e ossigeno sono rispettivamente 12, 1 e 16. Pertanto, la massa molare del glucosio è (6 × 12) + (12 × 1) + (6 × 16) = 180 g.

Quindi, per determinare la molarità di 400 ml di soluzione contenente 90 g di glucosio, si determina prima il numero di moli di glucosio presenti:

(90 g) × (1 mol/180 g) = 0,5 mol

Dividere questo per il numero di litri presenti per determinare la molarità:

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

Le particelle che sono libere di muoversi in soluzione si scontrano tra loro in modo casuale e, nel tempo, le direzioni di le singole particelle risultanti da queste collisioni si annullano a vicenda in modo che nessuna variazione netta di concentrazione risultati. Si dice che la soluzione è in equilibrio in queste condizioni. D'altra parte, se si introduce più soluto in una porzione localizzata delle soluzioni, l'aumentata frequenza di le collisioni che ne conseguono determinano un netto movimento di particelle da aree di maggiore concentrazione a aree di minore concentrazione. Questa si chiama diffusione e contribuisce al raggiungimento ultimo dell'equilibrio, altri fattori mantenuti costanti.

Il quadro cambia drasticamente quando vengono introdotte nella miscela membrane semipermeabili. Le cellule sono racchiuse proprio da tali membrane; "semipermeabile" significa semplicemente che alcune sostanze possono passare mentre altre no. In termini di membrane cellulari, piccole molecole come acqua, ossigeno e anidride carbonica possono entrare e fuori dalla cellula tramite semplice diffusione, schivando le proteine ​​e le molecole lipidiche che formano la maggior parte del membrana. La maggior parte delle molecole, tuttavia, compreso il sodio (Na⁺), cloruro (Cl^-) e il glucosio non può, anche quando c'è una differenza di concentrazione tra l'interno della cellula e l'esterno della cellula.

Osmosi, il flusso d'acqua attraverso una membrana in risposta a concentrazioni differenziali di soluto su entrambi i lati della membrana, è uno dei concetti di fisiologia cellulare più importanti da padroneggiare. Circa i tre quarti del corpo umano sono costituiti da acqua e allo stesso modo per altri organismi. L'equilibrio e i cambiamenti dei fluidi sono vitali per la sopravvivenza letterale momento per momento.

La tendenza a verificarsi dell'osmosi è chiamata pressione osmotica e i soluti che provocano la pressione osmotica, cosa che non tutti fanno, sono chiamati osmoli attive. Per capire perché accade, è utile pensare all'acqua stessa come a un "soluto" che si sposta da un lato all'altro della membrana semipermeabile a causa del proprio gradiente di concentrazione. Dove la concentrazione di soluti è maggiore, la "concentrazione di acqua" è inferiore, il che significa che l'acqua scorrerà in una direzione da alta concentrazione a bassa concentrazione proprio come qualsiasi altra osmole attiva. L'acqua si sposta semplicemente per uniformare le distanze di concentrazione. In poche parole, questo è il motivo per cui hai sete quando mangi un pasto salato: il tuo cervello risponde al to aumento della concentrazione di sodio nel tuo corpo chiedendoti di mettere più acqua nel sistema - segnala sete.

Il fenomeno dell'osmosi impone l'introduzione di aggettivi per descrivere la concentrazione relativa delle soluzioni. Come accennato in precedenza, una sostanza che è meno concentrata di una soluzione di riferimento è chiamata ipotonica ("ipo'" è greco per "sotto" o "carenza"). Quando le due soluzioni sono ugualmente concentrate, sono isotoniche ("iso" significa "uguale"). Quando una soluzione è più concentrata della soluzione di riferimento, è ipertonica ("iper" significa "più" o "eccesso").

L'acqua distillata è ipotonica rispetto all'acqua di mare; l'acqua di mare è ipertonica rispetto all'acqua distillata. Due tipi di soda che contengono esattamente la stessa quantità di zucchero e altri soluti sono isotonici.

Immagina cosa potrebbe accadere a una cellula vivente o a un gruppo di cellule se il contenuto fosse altamente concentrato rispetto ai tessuti circostanti, cioè se la cellula o le cellule sono ipertoniche al loro dintorni. Dato ciò che hai appreso sulla pressione osmotica, ti aspetteresti che l'acqua si sposti nella cellula o nel gruppo di cellule per compensare la maggiore concentrazione di soluti all'interno.

Questo è esattamente ciò che accade in pratica. Ad esempio, i globuli rossi umani, formalmente chiamati eritrociti, sono normalmente a forma di disco e concavi su entrambi i lati, come una torta che è stata pizzicata. Se questi vengono posti in una soluzione ipertonica, l'acqua tende a lasciare i globuli rossi, lasciandoli collassati e dall'aspetto "appuntito" al microscopio. Quando le cellule vengono poste in una soluzione ipotonica, l'acqua tende a entrare e a gonfiare le cellule fino a compensare il gradiente di pressione osmotica, a volte fino al punto non solo di gonfiare ma di far scoppiare il cellule. Poiché le cellule che esplodono all'interno del corpo non sono generalmente un esito favorevole, è chiaro che è fondamentale evitare grandi differenze di pressione osmotica nelle cellule adiacenti nei tessuti.

Se sei impegnato in un esercizio molto lungo, come una maratona di corsa di 26,2 miglia o un triathlon (una nuotata, un giro in bicicletta e una corsa), qualunque cosa tu abbia mangiato in anticipo potrebbe non essere sufficiente per sostenerti per tutta la durata dell'evento perché i tuoi muscoli e il tuo fegato possono immagazzinare solo così tanto carburante, la maggior parte del quale è sotto forma di catene di glucosio chiamate glicogeno. D'altra parte, ingerire qualsiasi cosa oltre ai liquidi durante l'esercizio fisico intenso può essere sia logisticamente difficile che, in alcune persone, provocare nausea. Idealmente, quindi, assumeresti liquidi di qualche forma perché tendono ad essere più facili per lo stomaco e tu vorrebbe un liquido molto zuccherino (cioè concentrato) in modo da fornire il massimo carburante al lavoro muscoli.

O lo faresti? Il problema con questo approccio molto plausibile è che quando le sostanze che mangi o bevi vengono assorbite dal tuo intestino, questo processo si basa su un gradiente che tende a trascinare le sostanze presenti negli alimenti dall'interno dell'intestino al sangue che riveste l'intestino, grazie all'essere travolto dal movimento di acqua. Quando il liquido che si consuma è altamente concentrato, cioè se è ipertonico ai fluidi che rivestono l'intestino, interrompe questo normale gradiente osmotico e "risucchia" l'acqua dall'esterno nell'intestino, bloccando l'assorbimento dei nutrienti e vanificando l'intero scopo di assumere bevande zuccherate sul partire.

In effetti, gli scienziati dello sport hanno studiato i tassi di assorbimento relativi di diverse bevande sportive contenenti diverse concentrazioni di zucchero e hanno scoperto che questo risultato "controintuitivo" è il quello corretto. Le bevande ipotoniche tendono ad essere assorbite più rapidamente, mentre le bevande isotoniche e ipertoniche vengono assorbite più lentamente, come misurato dalla variazione della concentrazione di glucosio nel plasma sanguigno. Se hai mai assaggiato bevande sportive come Gatorade, Powerade o All Sport, probabilmente avrai notato che hanno un sapore meno dolce delle cole o dei succhi di frutta; questo perché sono stati progettati per essere a bassa tonicità.

Considera il problema che gli organismi marini, ovvero gli animali acquatici che vivono specificamente negli oceani della Terra, devono affrontare: essi non solo vivono in acque estremamente salate, ma devono ottenere la propria acqua e cibo da questa soluzione altamente ipertonica di tipi; inoltre, devono espellere al suo interno prodotti di scarto (principalmente come azoto, in molecole come ammoniaca, urea e acido urico) e ricavarne ossigeno.

Gli ioni predominanti (particelle cariche) nell'acqua di mare sono, come ci si aspetterebbe, Cl^- (19,4 grammi per chilogrammo di acqua) e Na⁺ (10,8 g/kg). Altre osmoli attive significative nell'acqua di mare includono solfato (2,7 g/kg), magnesio (1,3 g/kg), calcio (0,4 g/kg), potassio (0,4 g/kg) e bicarbonato (0,142 g/kg).

La maggior parte degli organismi marini, come ci si potrebbe aspettare, è isotonica rispetto all'acqua di mare come conseguenza fondamentale dell'evoluzione; non hanno bisogno di impiegare tattiche speciali per mantenere l'equilibrio perché il loro stato naturale ha permesso loro di sopravvivere dove altri organismi non hanno e non possono. Gli squali, tuttavia, sono un'eccezione, poiché mantengono corpi ipertonici rispetto all'acqua di mare. Raggiungono questo obiettivo attraverso due metodi principali: mantengono una quantità insolita di urea nel sangue e l'urina che espellono è molto diluita, o ipotonica, rispetto ai loro fluidi interni.