מהו פתרון היפרטוני?

רוב האנשים מודעים לכך שלמאכלים מלוחים יש תכונה לעורר צמא. אולי שמתם לב גם שמאכלים מתוקים מאוד נוטים לעשות את אותו הדבר. הסיבה לכך היא שמלח (כמו יוני נתרן וכלוריד) וסוכרים (כמולקולות גלוקוז) מתפקדים כ- אוסמוליות פעילות כאשר הוא מומס בנוזלי גוף, בעיקר מרכיב הדם בסרום. פירוש הדבר שכאשר הם מומסים בתמיסה מימית או במקביל הביולוגי, יש להם פוטנציאל להשפיע על כיוון המים הסמוכים אליו. (פתרון הוא פשוט מים עם חומר אחד או יותר מומס בתוכם).

"טון", במובן של שרירים, פירושו "מתוח" או מרמז בדרך אחרת על משהו שקבוע מול כוחות מתחרים בסגנון משיכה. טוניקיות, בכימיה, מתייחס לנטייה של פתרון למשוך מים בהשוואה לתמיסה אחרת. הפתרון הנחקר עשוי להיות היפוטוני, איזוטוני אוֹ היפרטוני בהשוואה לפיתרון הייחוס. לפתרונות היפרטוניים יש משמעות ניכרת בהקשר לחיים על פני כדור הארץ.

לפני שנדון בהשלכות של ריכוזים יחסיים ומוחלטים של פתרונות, זה חשוב להבין את הדרכים בהן הם מכמתים ומתבטאים בכימיה אנליטית ו בִּיוֹכִימִיָה.

לעתים קרובות, ריכוז המוצקים המומסים במים (או בנוזלים אחרים) מתבטא בפשטות ביחידות מסה המחולקות בנפח. לדוגמא, גלוקוז בסרום נמדד בדרך כלל בגרמים של גלוקוז לדציליטר (עשירית ליטר) של סרום, או g / dL. (שימוש זה במסה מחולק לפי נפח דומה לזה המשמש לחישוב צפיפות, אלא שבמדידות צפיפות יש חומר אחד בלבד בבדיקה, למשל, גרם עופרת לסנטימטר מעוקב של עופרת.) מסת המומס ליחידת ממס היא גם הבסיס ל"אחוז המסה " מידות; לדוגמא, 60 גרם סוכרוז המומס ב -1,000 מ"ל מים הוא פתרון של 6 אחוז פחמימות (60 / 1,000 = 0.06 = 6%).

מבחינת שיפועי ריכוז המשפיעים על תנועת המים או החלקיקים, עם זאת, חשוב לדעת את המספר הכולל של החלקיקים ליחידת נפח, ללא קשר לגודלם. זהו, לא המסה המומסת הכוללת, שמשפיעה על תנועה זו, אף שאינה אינטואיטיבית. לשם כך מדענים משתמשים לרוב מולריות (M), שהוא מספר השומות של חומר ליחידת נפח (בדרך כלל ליטר). זה מצידו מצוין על ידי המסה הטוחנת, או המשקל המולקולרי, של חומר. על פי ההסכם, שומה אחת של חומר מכילה 6.02 × 10²³ חלקיקים, הנגזרים מכך הם מספר האטומים בדיוק ב 12 גרם פחמן אלמנטרי. המסה הטוחנת של חומר היא סכום המשקלים האטומיים של האטומים המרכיבים אותו. לדוגמא, הנוסחה לגלוקוז היא C₆ה₁₂או₆ והמסה האטומית של פחמן, מימן וחמצן הם 12, 1 ו- 16 בהתאמה. לכן, המסה הטוחנת של גלוקוז היא (6 × 12) + (12 × 1) + (6 × 16) = 180 גרם.

לפיכך, כדי לקבוע את הטוחנות של 400 מ"ל של תמיסה המכילה 90 גרם גלוקוז, תחילה קובעים את מספר השומות של גלוקוז:

(90 גרם) × (1 מול / 180 גרם) = 0.5 מול

חלק את זה במספר הליטר הנוכחי כדי לקבוע את הטוחנות:

(0.5 מול) / (0.4 ליטר) = 1.25 מ '

חלקיקים הפנויים לנוע בתמיסה מתנגשים זה בזה באופן אקראי ולאורך זמן בכיווני חלקיקים בודדים הנובעים מהתנגשויות אלה מבטלים זה את זה, כך שאין שום שינוי בריכוז נטו תוצאות. אומרים שהפתרון נמצא שִׁוּוּי מִשׁקָל בתנאים אלה. מצד שני, אם מוחדר יותר מומס לחלק מקומי של הפתרונות, התדירות המוגברת של התנגשויות הבאות מביאות לתנועה נטו של חלקיקים מאזורים בעלי ריכוז גבוה יותר לאזורים נמוכים יותר ריכוז. זה נקרא דיפוזיה ותורם להשגה האולטימטיבית של שיווי משקל, וגורמים אחרים מוחזקים קבועים.

התמונה משתנה בצורה דרסטית כאשר מכניסים לתערובת קרומים חדירים למחצה. תאים מוקפים בממברנות כאלה בדיוק; "חצי חדיר" פירושו פשוט שחומרים מסוימים יכולים לעבור ואילו אחרים לא יכולים לעבור. במונחים של ממברנות תאים, מולקולות קטנות כגון מים, חמצן וגז פחמן דו חמצני יכולות לעבור לתוכו מחוץ לתא באמצעות דיפוזיה פשוטה, תוך התחמקות מהחלבונים ומולקולות השומנים היוצרות את רוב ה קְרוּם. אולם מרבית המולקולות, כולל נתרן (Na⁺), כלוריד (Cl^-) וגלוקוז אינם יכולים, גם כאשר קיים הבדל ריכוז בין פנים התא לחוץ החיצוני של התא.

סְפִיגָהזרימת המים על פני קרום בתגובה לריכוזי מומס דיפרנציאליים משני צדי הקרום, הוא אחד המושגים הפיזיולוגיים התאיים החשובים ביותר שיש לשלוט בהם. כשלושה רבעים מגוף האדם מורכב ממים, ובדומה לאורגניזמים אחרים. איזון נוזלים ותזוזות חיוניים להישרדות מילולית על בסיס רגע לרגע.

הנטייה של אוסמוזה להתרחש נקראת לחץ אוסמוטי, ומומסים שמביאים ללחץ אוסמוטי, שלא כולם עושים, נקראים אוסמולס פעילים. כדי להבין מדוע זה קורה, מועיל לחשוב על המים עצמם כ"ממוסס "שעובר מצד אחד של הממברנה הניתנת למחצה לצד השני כתוצאה מדרגת הריכוז שלה. כאשר ריכוז המומס גבוה יותר, "ריכוז המים" נמוך יותר, כלומר מים יזרמו לכיוון ריכוז גבוה-לריכוז נמוך בדיוק כמו כל אוסמול פעיל פעיל אחר. מים פשוט עוברים לאיזון מרחקי ריכוז. בקצרה, זו הסיבה שאתה צמא כשאתה אוכל ארוחה מלוחה: המוח שלך מגיב ל ריכוז נתרן מוגבר בגופך על ידי בקשתך להכניס יותר מים למערכת - זה מאותת צָמָא.

תופעת האוסמוזה מכריחה על הצגת שמות תואר לתיאור הריכוז היחסי של פתרונות. כפי שנגעה לעיל, חומר שהוא פחות מרוכז מתמיסת התייחסות נקרא היפוטוני ("היפו" הוא יווני עבור "תחת" או "מחסור"). כאשר שני הפתרונות מרוכזים באותה מידה, הם איזוטוניים ("איזו" פירושו "אותו דבר"). כאשר פתרון מרוכז יותר מתמיסת הייחוס, הוא היפרטוני ("היפר" פירושו "יותר" או "עודף").

מים מזוקקים הם היפוטוניים למי ים; מי ים היפרטוניים למים מזוקקים. שני סוגים של סודה המכילים כמות זהה של סוכר ומומסים אחרים הם איזוטוניים.

דמיין מה עלול לקרות לתא חי או לקבוצת תאים אם התוכן היה מרוכז מאוד בהשוואה לרקמות שמסביב, כלומר אם התא או התאים היפרטוניים שלהם הסביבה. בהתחשב במה שלמדת על לחץ אוסמוטי, היית מצפה שמים יעברו לתא או לקבוצת התאים כדי לקזז את הריכוז הגבוה יותר של המומסים בפנים.

זה בדיוק מה שקורה בפועל. לדוגמה, תאי דם אדומים אנושיים, הנקראים רשמית אריתרוציטים, הם בדרך כלל בצורת דיסק וקעורים משני הצדדים, כמו עוגה שצובטה. אם אלה ממוקמים בתמיסה היפרטונית, מים נוטים לעזוב את כדוריות הדם האדומות, ומשאירים אותם קרסים ו"קוצניים "למראה תחת מיקרוסקופ. כאשר התאים ממוקמים בתמיסה היפוטונית, מים נוטים לנוע פנימה ולנפח את התאים אליהם לקזז את שיפוע הלחץ האוסמוטי - לפעמים עד כדי נפיחות בלבד אלא פרוץ תאים. מכיוון שתאים המתפוצצים בגוף אינם בדרך כלל תוצאה חיובית, ברור כי הימנעות מהבדלי לחץ אוסמוטיים גדולים בתאים סמוכים ברקמות היא קריטית.

אם אתה עוסק בהתעמלות ארוכה מאוד, כגון מרתון ריצה באורך של 26.2 קילומטר או טריאתלון (שחייה, רכיבה על אופניים וריצה), כל מה שאכלת מראש לא יכול להיות להיות מספיק כדי לקיים אותך במשך כל האירוע מכיוון שהשרירים והכבד שלך יכולים לאגור רק כל כך הרבה דלק, שרובם בצורה של שרשראות של גלוקוז הנקראות גליקוגן. מצד שני, בליעה של כל דבר מלבד נוזלים במהלך פעילות גופנית אינטנסיבית יכולה להיות קשה מבחינה לוגיסטית וגם אצל אנשים מסוימים גם מעוררת בחילה. באופן אידיאלי, אם כן, היית לוקח נוזלים בצורה כלשהי מכיוון שאלו נוטים להיות קלים יותר בקיבה ואתה תרצה נוזל כבד מאוד בסוכר (כלומר מרוכז) כדי לספק דלק מרבי לעבודה שרירים.

או שמא? הבעיה בגישה סבירה מאוד זו היא שכאשר חומרים שאתה אוכל או שותה נספגים במעי שלך, תהליך זה מסתמך על אוסמוטי. שיפוע הנוטה למשוך חומרים במזון מבפנים המעי אל הדם המצפה את המעי שלך, הודות להיסחף בתנועת מים. כאשר הנוזל שאתם צורכים מרוכז מאוד - כלומר אם הוא היפרטוני לנוזלים המצפים את המעי - הוא משבש את השיפוע האוסמוטי הרגיל הזה ו "מוצץ" מים חזרה למעי מבחוץ, גורם לספיגת חומרים מזינים להיפסק ומביס את כל המטרה של נטילת משקאות ממותקים על ללכת.

למעשה, מדעני הספורט בחנו את שיעורי הספיגה היחסיים של משקאות ספורט שונים המכילים ריכוזי סוכר משתנים ומצאו שהתוצאה ה"מתנגדת "הזו היא תקן אחד. משקאות היפוטוניים נוטים להיספג בצורה המהירה ביותר, בעוד שמשקאות איזוטוניים והיפרטוניים נספגים לאט יותר, כפי שנמדד בשינוי ריכוז הגלוקוז בפלסמה בדם. אם אי פעם דגמתם משקאות ספורט כמו Gatorade, Powerade או All Sport, בטח שמתם לב שהם טעימים פחות מתוקים מאשר קולות או מיץ פירות; הסיבה לכך היא שהם תוכננו כך שהם יהיו בעלי טוניקות נמוכה.

שקול את הבעיה שאורגניזמים ימיים - כלומר בעלי חיים ימיים שחיים במיוחד באוקיינוסים של כדור הארץ - מתמודדים עם: הם לא רק חיים במים מלוחים במיוחד, אלא עליהם לקבל מים ואוכל משלהם מהפתרון ההיפרטוני הזה מיונים; בנוסף, עליהם להפריש לתוכו מוצרי פסולת (בעיקר כחנקן, במולקולות כמו אמוניה, אוריאה וחומצת שתן) וכן להפיק ממנו חמצן.

היונים השולטים (חלקיקים טעונים) במי הים הם, כפי שהיית מצפה, Cl^- (19.4 גרם לק"ג מים) ו- Na⁺ (10.8 גרם לק"ג). אוסמולים פעילים אחרים בעלי משמעות במי ים כוללים סולפט (2.7 גרם / ק"ג), מגנזיום (1.3 גרם / ק"ג), סידן (0.4 גרם / ק"ג), אשלגן (0.4 גרם / ק"ג) וביקרבונט (0.142 גרם / ק"ג).

רוב האורגניזמים הימיים, כפי שניתן היה לצפות, הם איזוטוניים למי ים כתוצאה בסיסית של האבולוציה; הם לא צריכים להשתמש בשום טקטיקה מיוחדת כדי לשמור על שיווי המשקל מכיוון שמצבם הטבעי איפשר להם לשרוד במקום בו אורגניזמים אחרים לא יכולים ואינם יכולים. כרישים, לעומת זאת, הם יוצאים מן הכלל, תוך שמירה על גופים היפרטוניים למי ים. הם משיגים זאת באמצעות שתי שיטות עיקריות: הם שומרים על כמות יוצאת דופן של אוריאה בדמם, והשתן שהם מפרישים הוא מדולל מאוד, או היפוטוני, בהשוואה לנוזלים הפנימיים שלהם.