Kas ir hipertoniskais risinājums?

Lielākā daļa cilvēku zina, ka sāļajiem ēdieniem ir īpašība izraisīt slāpes. Varbūt esat arī pamanījis, ka ļoti saldie ēdieni mēdz rīkoties tāpat. Tas ir tāpēc, ka sāls (kā nātrija un hlorīda joni) un cukuri (kā glikozes molekulas) darbojas kā aktīvie osmoli izšķīdinot ķermeņa šķidrumos, galvenokārt asins seruma komponentā. Tas nozīmē, ka, izšķīdinot ūdens šķīdumā vai bioloģiskā ekvivalentā, tie var ietekmēt virzienu, kādā tuvējais ūdens pārvietosies. (Risinājums ir vienkārši ūdens ar tajā izšķīdinātu vienu vai vairākām citām vielām.)

"Tonis" muskuļu nozīmē nozīmē "saspringums" vai citādi nozīmē kaut ko tādu, kas ir fiksēts konkurējošo vilkšanas stila spēku priekšā. Tonizācija, ķīmijā attiecas uz šķīduma tendenci ievilkt ūdeni salīdzinājumā ar kādu citu šķīdumu. Pētāmais risinājums var būt hipotoniski, izotoniski vai hipertonisks salīdzinājumā ar standartšķīdumu. Hipertoniskiem risinājumiem ir ievērojama nozīme dzīves uz Zemes kontekstā.

Pirms apspriest relatīvās un absolūtās šķīdumu koncentrācijas sekas ir svarīgi saprast veidus, kā tos kvantitatīvi izteikt un izteikt analītiskajā ķīmijā un bioķīmija.

Bieži vien ūdenī (vai citos šķidrumos) izšķīdušo cieto vielu koncentrāciju izsaka vienkārši masas vienībās, dalot ar tilpumu. Piemēram, glikozes līmeni serumā parasti mēra glikozes gramos uz decilitru (desmitā litra) seruma vai g / dL. (Šī masas izmantošana, kas dalīta ar tilpumu, ir līdzīga tai, ko izmanto blīvuma aprēķināšanai, izņemot to, ka blīvuma mērījumos ir tikai viena viela piemēram, svina grami uz svina kubikcentimetru.) Izšķīdušās vielas masa uz šķīdinātāja tilpuma vienību ir arī pamats "masas procentiem". mērījumi; piemēram, 60 g saharozes, kas izšķīdināta 1000 ml ūdens, ir 6 procentu ogļhidrātu šķīdums (60/1 000 = 0,06 = 6%).

Runājot par koncentrācijas gradientiem, kas ietekmē ūdens vai daļiņu kustību, tomēr ir svarīgi zināt kopējo daļiņu skaitu tilpuma vienībā neatkarīgi no to lieluma. Tieši šī, nevis kopējā izšķīdušās vielas masa ietekmē šo kustību, lai arī tā varētu būt pretrunīgi. Šim nolūkam zinātnieki visbiežāk izmanto molaritāte (M), kas ir vielas molu skaits tilpuma vienībā (parasti litrs). To savukārt nosaka vielas moliskā masa vai molekulmasa. Pēc vienošanās viens vielas mols satur 6,02 × 10²³ daļiņas, kas atvasinātas no tā, ka tas ir atomu skaits tieši 12 gramos elementārā oglekļa. Vielas molārā masa ir tās atomu atomu svara summa. Piemēram, glikozes formula ir C₆H₁₂O₆ un oglekļa, ūdeņraža un skābekļa atomu masa ir attiecīgi 12, 1 un 16. Tāpēc glikozes molārā masa ir (6 × 12) + (12 × 1) + (6 × 16) = 180 g.

Tādējādi, lai noteiktu 400 ml šķīduma, kas satur 90 g glikozes, molaritāti, vispirms jānosaka esošā glikozes molu skaits:

(90 g) × (1 mol / 180 g) = 0,5 mol

Daliet to ar esošo litru skaitu, lai noteiktu molaritāti:

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

Daļiņas, kuras šķīdumā var brīvi pārvietoties, nejauši saduras viena ar otru, un laika gaitā tās virzieni atsevišķas daļiņas, kas rodas šo sadursmju rezultātā, atceļ viena otru tā, ka neto koncentrācijas izmaiņas nemainās rezultātiem. Tiek teikts, ka risinājums ir iekšā līdzsvars šajos apstākļos. No otras puses, ja šķīduma lokalizētajā daļā tiek ievadīts vairāk izšķīdušo vielu, palielināts šķīduma biežums sekojošās sadursmes rada daļiņu neto kustību no lielākas koncentrācijas apgabaliem uz zemākas zonas koncentrēšanās. To sauc par difūziju un tas veicina līdzsvara, citu nemainīgu faktoru, galīgo sasniegšanu.

Attēls krasi mainās, ja maisījumam tiek ievadītas daļēji caurlaidīgas membrānas. Šūnas ir norobežotas tieši ar šādām membrānām; "daļēji caurlaidīgs" nozīmē vienkārši to, ka dažas vielas var iziet cauri, bet citas - ne. Attiecībā uz šūnu membrānām mazas molekulas, piemēram, ūdens, skābeklis un oglekļa dioksīda gāze, var pārvietoties un no šūnas, izmantojot vienkāršu difūziju, izvairoties no olbaltumvielām un lipīdu molekulām, kas veido lielāko daļu membrāna. Tomēr lielākā daļa molekulu, ieskaitot nātriju (Na⁺), hlorīds (Cl^-) un glikoze nevar pat tad, ja starp šūnas iekšpusi un šūnas ārpusi ir koncentrācijas atšķirība.

Osmoze, ūdens plūsma pa membrānu, reaģējot uz atšķirīgu izšķīdušo vielu koncentrāciju abās membrānas pusēs, ir viens no vissvarīgākajiem šūnu fizioloģijas jēdzieniem, kas jāpārvalda. Apmēram trīs ceturtdaļas cilvēka ķermeņa sastāv no ūdens un līdzīgi citiem organismiem. Šķidruma līdzsvars un nobīdes ir vitāli nepieciešamas burtiskai izdzīvošanai momentā.

Osmozes rašanās tendenci sauc par osmotisko spiedienu, un izšķīdušās vielas, kuru rezultātā rodas osmotiskais spiediens, ko ne visi no tiem sauc, sauc par aktīvajiem osmoliem. Lai saprastu, kāpēc tas notiek, ir lietderīgi domāt par pašu ūdeni kā par "izšķīdušo vielu", kas sava koncentrācijas gradienta rezultātā pārvietojas no puscaurlaidīgas membrānas vienas puses uz otru. Ja izšķīdušās vielas koncentrācija ir augstāka, "ūdens koncentrācija" ir mazāka, tas nozīmē, ka ūdens plūst virzienā no augstas koncentrācijas līdz zemai koncentrācijai tāpat kā jebkurš cits aktīvais osmols. Ūdens vienkārši pārvietojas, lai izlīdzinātu koncentrācijas attālumus. Īsāk sakot, tāpēc, kad ēdat sāļu maltīti, jums rodas slāpes: jūsu smadzenes reaģē uz paaugstināta nātrija koncentrācija jūsu ķermenī, lūdzot ievadīt sistēmā vairāk ūdens - tas signalizē slāpes.

Osmozes parādība liek ieviest īpašības vārdus, lai aprakstītu relatīvo šķīdumu koncentrāciju. Kā jau pieskārās iepriekš, vielu, kas ir mazāk koncentrēta nekā standartšķīdums, sauc par hipotonisku ("hipoglikēmija" ir grieķu valoda, kas apzīmē "zemu" vai "deficītu"). Kad abi šķīdumi ir vienādi koncentrēti, tie ir izotoniski ("iso" nozīmē "tas pats"). Ja šķīdums ir koncentrētāks nekā standartšķīdums, tas ir hipertonisks ("hiper" nozīmē "vairāk" vai "pārpalikums").

Destilēts ūdens ir hipotonisks jūras ūdenim; jūras ūdens ir hipertonisks destilētam ūdenim. Divu veidu soda, kas satur tieši tādu pašu cukura daudzumu un citas izšķīdušās vielas, ir izotoniskas.

Iedomājieties, kas varētu notikt ar dzīvo šūnu vai šūnu grupu, ja saturs būtu ļoti koncentrēts salīdzinot ar apkārtējiem audiem, tas nozīmē, ja šūna vai šūnas ir hipertoniski pret tām vide. Ņemot vērā to, ko esat iemācījušies par osmotisko spiedienu, jūs varētu sagaidīt, ka ūdens iekļūs šūnā vai šūnu grupā, lai kompensētu augstāku izšķīdušo vielu koncentrāciju interjerā.

Tas notiek tieši praksē. Piemēram, cilvēka sarkanās asins šūnas, ko formāli sauc par eritrocītiem, parasti ir diska formas un no abām pusēm ieliektas, piemēram, kūka, kas ir saspiesta. Ja tos ievieto hipertoniskā šķīdumā, ūdenim ir tendence atstāt sarkanās asins šūnas, atstājot tās sabrukušas un mikroskopā "spicas". Kad šūnas ievieto hipotoniskā šķīdumā, ūdenim ir tendence pārvietoties un uzpūst šūnas atsver osmotiskā spiediena gradientu - dažreiz līdz vietai, kurā ne tikai pietūkst, bet arī plīst šūnas. Tā kā šūnas, kas eksplodē ķermeņa iekšienē, parasti nav labvēlīgs rezultāts, ir skaidrs, ka ir svarīgi izvairīties no lielām osmotiskā spiediena atšķirībām blakus esošajās šūnās audos.

Ja esat iesaistījies ļoti garā vingrinājumā, piemēram, 26,2 jūdžu skriešanas maratonā vai triatlonā (peldēšana, brauciens ar velosipēdu un skrējiens), viss, ko esat ēdis iepriekš, var nebūt pietiks, lai uzturētu jūs visa pasākuma laikā, jo jūsu muskuļi un aknas var uzglabāt tikai tik daudz degvielas, no kurām lielākā daļa ir glikozes ķēdes, ko sauc par glikogēns. No otras puses, intensīvas fiziskās slodzes laikā jebkura cita šķidruma uzņemšana var būt gan loģistiski, gan dažiem cilvēkiem sliktu dūšu izraisoša. Ideālā gadījumā tad jūs uzņemtu kāda veida šķidrumus, jo tiem parasti ir vieglāk uz vēdera, un jums gribētu ļoti cukura smagu (tas ir, koncentrētu) šķidrumu, lai darba ņēmējiem nodrošinātu maksimālu degvielu muskuļi.

Vai arī jūs? Šīs ļoti ticamās pieejas problēma ir tāda, ka tad, kad jūsu apēstās vai dzertās vielas absorbē jūsu zarnas, šis process balstās uz osmotisko gradients, kas mēdz pārtikā esošās vielas izvilkt no zarnu iekšpuses līdz asinīm, kas izkliedē jūsu zarnu, pateicoties tam, ka to pārņem ūdens. Kad patērētais šķidrums ir ļoti koncentrēts - tas ir, ja tas ir hipertonisks zarnās esošajiem šķidrumiem, tas izjauc šo parasto osmotisko gradientu un "iesūc" ūdeni atpakaļ zarnās no ārpuses, izraisot barības vielu absorbcijas apstāšanos un pārspējot visu saldo dzērienu uzņemšanas mērķi aiziet.

Faktiski sporta zinātnieki ir pētījuši dažādu sporta dzērienu relatīvo absorbcijas līmeni kas satur dažādas cukura koncentrācijas, un ir konstatējuši, ka šis "pretintektīvais" rezultāts ir pareizais. Dzērieni, kas ir hipotoniski, parasti uzsūcas visstraujāk, savukārt izotoniskie un hipertoniskie dzērieni uzsūcas lēnāk, ko mēra pēc glikozes koncentrācijas izmaiņām asins plazmā. Ja esat kādreiz izlasījis tādus sporta dzērienus kā Gatorade, Powerade vai All Sport, jūs, iespējams, pamanījāt, ka tie garšo mazāk saldi nekā kolas vai augļu sula; tas ir tāpēc, ka tie ir konstruēti ar zemu tonusu.

Apsveriet problēmu, ar kuru saskaras jūras organismi - tas ir, ūdensdzīvnieki, kas īpaši dzīvo Zemes okeānos ne tikai dzīvo ārkārtīgi sāļā ūdenī, bet viņiem jāiegūst savs ūdens un pārtika no šī ļoti hipertoniskā šķīduma kārto; turklāt viņiem tajā jāizdala atkritumu produkti (galvenokārt kā slāpeklis, tādās molekulās kā amonjaks, urīnviela un urīnskābe), kā arī jāiegūst no tā skābeklis.

Jūras ūdenī dominējošie joni (lādētas daļiņas), kā jūs varētu sagaidīt, ir Cl^- (19,4 grami uz kilogramu ūdens) un Na⁺ (10,8 g / kg). Citi aktīvie osmoli, kam ir nozīmīga nozīme jūras ūdenī, ir sulfāts (2,7 g / kg), magnijs (1,3 g / kg), kalcijs (0,4 g / kg), kālijs (0,4 g / kg) un bikarbonāts (0,142 g / kg).

Kā jūs varētu sagaidīt, lielākā daļa jūras organismu ir izotonisks jūras ūdenim kā galvenās evolūcijas sekas; viņiem nav jāizmanto īpaša taktika, lai uzturētu līdzsvaru, jo viņu dabiskais stāvoklis ir ļāvis izdzīvot tur, kur citiem organismiem nav un nevar. Haizivis tomēr ir izņēmums, uzturot ūdenstilpnes, kas ir hipertoniskas pret jūras ūdeni. Viņi to sasniedz, izmantojot divas galvenās metodes: asinīs viņi saglabā neparastu urīnvielas daudzumu, un izdalītais urīns ir ļoti atšķaidīts vai hipotonisks, salīdzinot ar viņu iekšējiem šķidrumiem.