Kas yra hipertoninis sprendimas?

Daugelis žmonių žino, kad sūrus maistas turi savybę sukelti troškulį. Galbūt jūs taip pat pastebėjote, kad labai saldus maistas dažniausiai daro tą patį. Taip yra todėl, kad druska (kaip natrio ir chlorido jonai) ir cukrus (kaip gliukozės molekulės) veikia kaip aktyvūs osmoliai ištirpus kūno skysčiuose, pirmiausia kraujo serume. Tai reiškia, kad ištirpę vandeniniame tirpale ar biologiniame ekvivalente, jie gali paveikti netoliese esančio vandens judėjimo kryptį. (Tirpalas yra tiesiog vanduo, kuriame ištirpinta viena ar daugiau kitų medžiagų.)

„Tonas“ raumenų prasme reiškia „įtempimą“ arba kitaip reiškia ką nors, kas fiksuojama konkuruojančių traukimo stiliaus jėgų akivaizdoje. Tonizacija, chemijoje, nurodo tirpalo tendenciją traukti vandenį, palyginti su kitu tirpalu. Tiriamas sprendimas gali būti hipotoniškas, izotoninis arba hipertoninis palyginti su etaloniniu tirpalu. Hipertoniniai sprendimai turi didelę reikšmę gyvybės Žemėje kontekste.

Prieš aptariant santykinės ir absoliučios tirpalų koncentracijos pasekmes, svarbu suprasti būdus, kaip jie kiekybiškai įvertinti ir išreikšti analitine chemija ir biochemija.

Dažnai vandenyje (ar kituose skysčiuose) ištirpusių kietųjų medžiagų koncentracija išreiškiama tiesiog masės vienetais, padalintais iš tūrio. Pavyzdžiui, gliukozės koncentracija serume paprastai matuojama gliukozės gramais decilitre (dešimtoji litro) serumo arba g / dL. (Šis masės naudojimas, padalytas iš tūrio, yra panašus į tą, kuris naudojamas tankiui apskaičiuoti, išskyrus tai, kad matuojant tankį, yra tik viena medžiaga tiriamieji, pvz., švino gramai kubiniame centimetre švino.) Tirpiklio masė tirpiklio tūrio vienetui taip pat yra „masės procento“ dalis matavimai; pavyzdžiui, 60 g sacharozės, ištirpintos 1 000 ml vandens, yra 6 procentų angliavandenių tirpalas (60/1 000 = 0,06 = 6%).

Kalbant apie koncentracijos gradientus, turinčius įtakos vandens ar dalelių judėjimui, svarbu žinoti bendrą dalelių skaičių tūrio vienete, neatsižvelgiant į jų dydį. Būtent tai, o ne bendra ištirpusios medžiagos masė, daro įtaką šiam judėjimui, nors tai gali būti priešinga. Tam dažniausiai naudojasi mokslininkai moliarumas (M), kuris yra medžiagos molių skaičius tūrio vienete (paprastai litras). Tai savo ruožtu apibūdina molinė masė arba molekulinė masė. Pagal susitarimą viename medžiagos molyje yra 6,02 × 10²³ dalelės, gautos iš atomų skaičiaus tiksliai 12 gramų elementinės anglies. Molinė medžiagos masė yra ją sudarančių atomų atominių masių suma. Pavyzdžiui, gliukozės formulė yra C₆H₁₂O₆ o anglies, vandenilio ir deguonies atominės masės yra atitinkamai 12, 1 ir 16. Todėl gliukozės molinė masė yra (6 × 12) + (12 × 1) + (6 × 16) = 180 g.

Taigi, norėdami nustatyti 400 ml tirpalo, kuriame yra 90 g gliukozės, molingumą, pirmiausia nustatykite esančių gliukozės molių skaičių:

(90 g) × (1 mol / 180 g) = 0,5 mol

Norėdami nustatyti moliarumą, padalykite tai iš esančių litrų skaičiaus:

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

Dalelės, kurios gali laisvai judėti tirpale, atsitiktinai susiduria viena su kita ir laikui bėgant jų kryptys atskiros dalelės, atsirandančios dėl šių susidūrimų, panaikina viena kitą, kad nebūtų jokio grynojo koncentracijos pokyčio rezultatus. Teigiama, kad sprendimas yra pusiausvyra tokiomis sąlygomis. Kita vertus, jei į lokalizuotą tirpalų dalį įleidžiama daugiau tirpiųjų medžiagų, padidėja po to susidūrus susidaro grynasis dalelių judėjimas iš didesnės koncentracijos sričių į žemesnės sritis susikaupimas. Tai vadinama difuzija ir prisideda prie galutinio pusiausvyros, kitų veiksnių, pastovių, pasiekimo.

Vaizdas smarkiai pasikeičia, kai į mišinį įvedamos pusiau laidžios membranos. Ląstelės yra uždarytos būtent tokiomis membranomis; „pusiau laidžios“ reiškia tiesiog tai, kad kai kurios medžiagos gali prasiskverbti, o kitos - ne. Kalbant apie ląstelių membranas, mažos molekulės, tokios kaip vanduo, deguonis ir anglies dioksido dujos, gali judėti į ir iš ląstelės paprastos difuzijos būdu, išvengiant baltymų ir lipidų molekulių, sudarančių didžiąją dalį membrana. Tačiau dauguma molekulių, įskaitant natrį (Na⁺), chloridas (Cl^-), o gliukozė negali, net jei tarp ląstelės vidaus ir išorės yra koncentracijos skirtumas.

Osmosas, vandens srautas per membraną, reaguojant į skirtingas ištirpusios medžiagos koncentracijas abiejose membranos pusėse, yra viena iš svarbiausių ląstelių fiziologijos koncepcijų, kurią reikia įvaldyti. Maždaug tris ketvirtadalius žmogaus kūno sudaro vanduo ir panašiai kaip ir kitus organizmus. Skysčių balansas ir pokyčiai yra gyvybiškai svarbūs pažodžiui išgyventi.

Osmoso tendencija atsirasti vadinama osmosiniu slėgiu, o tirpios medžiagos, dėl kurių susidaro osmosinis slėgis, kurias daro ne visos, - aktyvios osmosės. Norint suprasti, kodėl taip atsitinka, naudinga galvoti apie patį vandenį kaip apie „ištirpintą medžiagą“, kuri dėl savo koncentracijos gradiento juda iš vienos pusiau laidžios membranos pusės į kitą. Ten, kur ištirpusių medžiagų koncentracija yra didesnė, „vandens koncentracija“ yra mažesnė, o tai reiškia, kad vanduo tekės kryptimi nuo didelės iki mažos, kaip ir bet kuris kitas aktyvus osmolis. Vanduo paprasčiausiai išlygina koncentracijos atstumus. Trumpai tariant, todėl jūs ištroškote, kai valgote sūrų patiekalą: jūsų smegenys reaguoja į padidėjusi natrio koncentracija jūsų kūne, paprašius į sistemą įpilti daugiau vandens - tai signalizuoja troškulys.

Osmoso reiškinys verčia įvesti būdvardžius, apibūdinančius santykinę tirpalų koncentraciją. Kaip buvo aptarta aukščiau, medžiaga, kuri yra mažiau koncentruota nei etaloninis tirpalas, vadinama hipotonine („hipoglikemija“ graikų kalba reiškia „nepakankamas“ arba „trūkumas“). Kai abu tirpalai yra vienodai koncentruoti, jie yra izotoniški („iso“ reiškia „tas pats“). Kai tirpalas yra labiau koncentruotas nei etaloninis tirpalas, jis yra hipertoninis („hiper“ reiškia „daugiau“ arba „perteklius“).

Distiliuotas vanduo yra hipotoniškas jūros vandeniui; jūros vanduo yra hipertoninis distiliuotam vandeniui. Dviejų rūšių soda, kurioje yra lygiai tiek pat cukraus ir kitų ištirpusių medžiagų, yra izotoninės.

Įsivaizduokite, kas gali nutikti gyvai ląstelei ar ląstelių grupei, jei jos turinys būtų labai koncentruotas lyginant su aplinkiniais audiniais, o tai reiškia, kad ląstelė ar ląstelės yra hipertoniškos jų atžvilgiu aplinką. Atsižvelgiant į tai, ką sužinojote apie osmosinį slėgį, galite tikėtis, kad vanduo pateks į ląstelę ar ląstelių grupę, kad kompensuotų didesnę ištirpusių medžiagų koncentraciją interjere.

Būtent taip atsitinka praktikoje. Pavyzdžiui, žmogaus raudonieji kraujo kūneliai, formaliai vadinami eritrocitais, paprastai yra disko formos ir įgaubti iš abiejų pusių, tarsi pyragas, kuris buvo užspaudžiamas. Jei jie dedami į hipertoninį tirpalą, vanduo linkęs išeiti iš raudonųjų kraujo kūnelių, palikdamas juos sugriuvusius ir „šmaikščiai“ atrodančius po mikroskopu. Kai ląstelės dedamos į hipotoninį tirpalą, vanduo linkęs judėti ir išpūsti ląsteles atsveria osmosinio slėgio gradientą - kartais iki ne tik patinimo, bet ir sprogimo ląstelių. Kadangi kūno viduje sprogstančios ląstelės paprastai nėra palankus rezultatas, akivaizdu, kad labai svarbu vengti didelių osmosinio slėgio skirtumų gretimose audinių ląstelėse.

Jei užsiimate labai ilgomis mankštomis, tokiomis kaip 26,2 mylios bėgimo maratonas ar triatlonas (plaukimas, važiavimas dviračiu ir bėgimas), tai, ko valgėte iš anksto, gali ne pakaks palaikyti jus viso renginio metu, nes jūsų raumenys ir kepenys gali laikyti tik tiek kuro, kurio didžioji dalis yra gliukozės grandinės, vadinamos glikogenas. Kita vertus, intensyvaus fizinio krūvio metu nuryti bet ką, išskyrus skysčius, gali būti sunku tiek logistiškai, tiek kai kuriems žmonėms sukelti pykinimą. Geriausia, jei jūs vartojate tam tikros formos skysčius, nes skrandyje jie yra lengviau norėtų labai cukraus turinčio (tai yra koncentruoto) skysčio, kad dirbantiesiems būtų kuo daugiau degalų raumenys.

O gal norėtum? Šio labai tikėtino požiūrio problema yra ta, kad kai jūsų valgomos ar geriamos medžiagos absorbuojamos žarnyne, šis procesas remiasi osmosiniu gradientas, linkęs traukti maisto medžiagas iš žarnyno vidaus į žarnyne esantį kraują dėl to, kad jį užlieja judėjimas vandens. Kai jūsų vartojamas skystis yra labai koncentruotas - tai yra, jei jis yra hipertoninis žarnyne besidriekiantiems skysčiams, jis sutrikdo šį įprastą osmosinį gradientą ir „siurbia“ vandenį atgal į žarnyną iš išorės, dėl to stringa maistinių medžiagų įsisavinimas ir sutrinka visas tikslas vartoti saldžius gėrimus. eik.

Tiesą sakant, sporto mokslininkai ištyrė santykinius skirtingų sportinių gėrimų absorbcijos rodiklius kurių sudėtyje yra skirtingos cukraus koncentracijos, ir nustatė, kad šis "prieštaringas" rezultatas yra teisingas vienas. Hipotoniški gėrimai paprastai absorbuojami greičiausiai, o izotoniniai ir hipertoniniai gėrimai absorbuojami lėčiau, matuojant pagal gliukozės koncentracijos pokytį kraujo plazmoje. Jei kada nors paragavote tokių sportinių gėrimų kaip „Gatorade“, „Powerade“ ar „All Sport“, tikriausiai pastebėjote, kad jų skonis yra mažiau saldus nei kolų ar vaisių sulčių; taip yra todėl, kad jų tonas yra mažas.

Apsvarstykite problemą, su kuria susiduria jūrų organizmai, t. Y. Vandens gyvūnai, specialiai gyvenantys Žemės vandenynuose ne tik gyvena ypač sūriame vandenyje, bet ir turi gauti savo vandenį ir maistą iš šio labai hipertoninio tirpalo rūšiuoja; be to, jie į jį turi išskirti atliekas (daugiausia kaip azotą, tokiose molekulėse kaip amoniakas, karbamidas ir šlapimo rūgštis), taip pat gauti iš jo deguonį.

Jūros vandenyje vyraujantys jonai (įelektrintos dalelės) yra, kaip ir galima tikėtis, Cl^- (19,4 gramo kilogramui vandens) ir Na⁺ (10,8 g / kg). Kiti aktyvūs osmoliai, reikšmingi jūros vandenyje, yra sulfatas (2,7 g / kg), magnis (1,3 g / kg), kalcis (0,4 g / kg), kalis (0,4 g / kg) ir bikarbonatas (0,142 g / kg).

Daugelis jūrų organizmų, kaip galite tikėtis, yra izotoniški jūros vandeniui, kaip pagrindinei evoliucijos pasekmei; pusiausvyrai palaikyti nereikia taikyti jokios specialios taktikos, nes natūrali jų būsena leido jiems išgyventi ten, kur kiti organizmai to neturi ir negali. Tačiau rykliai yra išimtis, išlaikantys jūros vandeniui hipertoninius telkinius. Jie tai pasiekia taikydami du pagrindinius metodus: kraujyje išlaiko neįprastą karbamido kiekį, o jų išskiriamas šlapimas yra labai praskiestas arba hipotoniškas, palyginti su jų vidiniais skysčiais.