Wat is hypertonische oplossing?

De meeste mensen zijn zich ervan bewust dat zoute voedingsmiddelen de eigenschap hebben dorst op te wekken. Misschien heb je ook gemerkt dat heel zoet voedsel hetzelfde doet. Dit komt omdat zout (als natrium- en chloride-ionen) en suikers (als glucosemoleculen) functioneren als: actieve osmol wanneer opgelost in lichaamsvloeistoffen, voornamelijk de serumcomponent van bloed. Dit betekent dat ze, wanneer ze zijn opgelost in een waterige oplossing of het biologische equivalent, de richting kunnen beïnvloeden waarin het nabijgelegen water zal bewegen. (Een oplossing is gewoon water met daarin een of meer andere stoffen opgelost.)

"Toon", in de zin van spieren, betekent "strakheid" of impliceert op een andere manier iets dat vaststaat in het licht van concurrerende trekkrachten. toniciteit, in de chemie, verwijst naar de neiging van een oplossing om water naar binnen te trekken in vergelijking met een andere oplossing. De onderzochte oplossing kan zijn: hypotoon, isotoon of hypertoon vergeleken met de referentieoplossing. Hypertonische oplossingen hebben een aanzienlijke betekenis in de context van het leven op aarde.

Alvorens de implicaties van relatieve en absolute concentraties van oplossingen te bespreken, is het belangrijk: de manieren begrijpen waarop deze worden gekwantificeerd en uitgedrukt in analytische chemie en biochemie.

Vaak wordt de concentratie van vaste stoffen opgelost in water (of andere vloeistoffen) eenvoudig uitgedrukt in eenheden van massa gedeeld door volume. Serumglucose wordt bijvoorbeeld meestal gemeten in gram glucose per deciliter (tiende van een liter) serum of g/dL. (Dit gebruik van massa gedeeld door volume is vergelijkbaar met het gebruik om de dichtheid te berekenen, behalve dat er bij dichtheidsmetingen slechts één stof is in studie, bijvoorbeeld gram lood per kubieke centimeter lood.) Massa opgeloste stof per volume-eenheid oplosmiddel is ook de basis voor "massapercentage" afmetingen; 60 g sucrose opgelost in 1.000 ml water is bijvoorbeeld een koolhydraatoplossing van 6 procent (60/1.000 = 0,06 = 6%).

In termen van concentratiegradiënten die de beweging van water of deeltjes beïnvloeden, is het echter belangrijk om het totale aantal deeltjes per volume-eenheid te kennen, ongeacht hun grootte. Het is deze, niet de totale massa van de opgeloste stof, die deze beweging beïnvloedt, hoe contra-intuïtief dit ook mag zijn. Hiervoor gebruiken wetenschappers het meest molariteit (M), dat is het aantal mol van een stof per volume-eenheid (meestal een liter). Dit wordt op zijn beurt gespecificeerd door de molaire massa of het molecuulgewicht van een stof. Volgens afspraak bevat één mol van een stof 6,02 × 10²³ deeltjes, afgeleid hiervan is het aantal atomen in precies 12 gram elementaire koolstof. De molaire massa van een stof is de som van de atoomgewichten van de samenstellende atomen. De formule voor glucose is bijvoorbeeld C₆H₁₂O₆ en de atoommassa's van koolstof, waterstof en zuurstof zijn respectievelijk 12, 1 en 16. Daarom is de molaire massa van glucose (6 × 12) + (12 × 1) + (6 × 16) = 180 g.

Om de molariteit van 400 ml oplossing met 90 g glucose te bepalen, moet u dus eerst het aantal aanwezige mol glucose bepalen:

(90 g) × (1 mol/180 g) = 0,5 mol

Deel dit door het aantal aanwezige liters om de molariteit te bepalen:

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

Deeltjes die vrij kunnen bewegen in oplossing botsen willekeurig met elkaar, en na verloop van tijd, de richtingen van individuele deeltjes die het gevolg zijn van deze botsingen heffen elkaar op, zodat er geen netto verandering in concentratie is resultaten. De oplossing is naar verluidt in evenwicht onder deze voorwaarden. Aan de andere kant, als meer opgeloste stof wordt geïntroduceerd in een gelokaliseerd deel van de oplossingen, zal de verhoogde frequentie van botsingen die daarop volgen resulteren in een netto beweging van deeltjes van gebieden met een hogere concentratie naar gebieden met een lagere concentratie. Dit wordt diffusie genoemd en draagt ​​bij aan het uiteindelijke bereiken van evenwicht, andere factoren constant gehouden.

Het beeld verandert drastisch wanneer semi-permeabele membranen aan de mix worden toegevoegd. Cellen zijn omsloten door precies zulke membranen; "semi-permeabel" betekent eenvoudigweg dat sommige stoffen erdoor kunnen en andere niet. In termen van celmembranen kunnen kleine moleculen zoals water, zuurstof en kooldioxidegas in en uit de cel via eenvoudige diffusie, waarbij de eiwitten en lipidemoleculen worden ontweken die de meeste vormen membraan. De meeste moleculen, waaronder natrium (Na⁺), chloride (Cl^-) en glucose niet, zelfs niet als er een concentratieverschil is tussen de binnenkant van de cel en de buitenkant van de cel.

Osmose, de stroming van water door een membraan als reactie op verschillende concentraties opgeloste stoffen aan weerszijden van het membraan, is een van de belangrijkste cellulaire fysiologieconcepten om onder de knie te krijgen. Ongeveer driekwart van het menselijk lichaam bestaat uit water, en zo ook voor andere organismen. Vloeistofbalans en verschuivingen zijn essentieel voor letterlijke overleving van moment tot moment.

De neiging van osmose om op te treden wordt osmotische druk genoemd en opgeloste stoffen die resulteren in osmotische druk, wat niet allemaal het geval is, worden actieve osmollen genoemd. Om te begrijpen waarom het gebeurt, is het nuttig om aan water zelf te denken als een "opgeloste stof" die van de ene kant van het semipermeabele membraan naar de andere beweegt als gevolg van zijn eigen concentratiegradiënt. Waar de opgeloste stofconcentratie hoger is, is de "waterconcentratie" lager, wat betekent dat water net als elke andere actieve osmol in een richting van hoge concentratie naar lage concentratie zal stromen. Water beweegt eenvoudigweg om de concentratieafstanden te egaliseren. In een notendop, dit is waarom je dorst krijgt als je een zoute maaltijd eet: je hersenen reageren op de verhoogde natriumconcentratie in uw lichaam door u te vragen meer water in het systeem te brengen - het signaleert dorst.

Het fenomeen van osmose dwingt de introductie van bijvoeglijke naamwoorden om de relatieve concentratie van oplossingen te beschrijven. Zoals hierboven vermeld, wordt een stof die minder geconcentreerd is dan een referentieoplossing hypotoon genoemd ("hypo'" is Grieks voor "onder" of "tekort"). Wanneer de twee oplossingen gelijk geconcentreerd zijn, zijn ze isotoon ("iso" betekent "hetzelfde"). Wanneer een oplossing meer geconcentreerd is dan de referentieoplossing, is deze hypertoon ("hyper" betekent "meer" of "overmaat").

Gedestilleerd water is hypotoon voor zeewater; zeewater is hypertoon tot gedestilleerd water. Twee soorten frisdrank die precies dezelfde hoeveelheid suiker en andere opgeloste stoffen bevatten, zijn isotoon.

Stel je voor wat er zou gebeuren met een levende cel of groep cellen als de inhoud sterk geconcentreerd zou zijn in vergelijking met de omliggende weefsels, wat betekent dat als de cel of cellen hypertoon zijn voor hun omgeving. Gezien wat je hebt geleerd over osmotische druk, zou je verwachten dat water de cel of groep cellen binnenkomt om de hogere concentratie opgeloste stoffen aan de binnenkant te compenseren.

Dit is precies wat er in de praktijk gebeurt. Menselijke rode bloedcellen, formeel erytrocyten genoemd, zijn bijvoorbeeld normaal schijfvormig en aan beide zijden hol, als een cake die is samengeknepen. Als deze in een hypertone oplossing worden geplaatst, heeft water de neiging om de rode bloedcellen te verlaten, waardoor ze onder een microscoop ingeklapt en "stekelig" uitzien. Wanneer de cellen in een hypotone oplossing worden geplaatst, heeft water de neiging om naar binnen te stromen en de cellen op te zwellen compenseert de osmotische drukgradiënt - soms tot het punt van niet alleen zwelling maar barsten van de cellen. Aangezien het exploderen van cellen in het lichaam over het algemeen geen gunstig resultaat is, is het duidelijk dat het vermijden van grote osmotische drukverschillen in aangrenzende cellen in weefsels van cruciaal belang is.

Als je heel lang aan lichaamsbeweging doet, zoals een marathon van 26,2 mijl of een triatlon (zwemmen, fietsen en hardlopen), is wat je van tevoren hebt gegeten misschien niet voldoende zijn om u te ondersteunen voor de duur van het evenement, omdat uw spieren en lever slechts zoveel brandstof kunnen opslaan, waarvan de meeste in de vorm van glucoseketens genaamd glycogeen. Aan de andere kant kan het innemen van iets anders dan vloeistoffen tijdens intensieve inspanning zowel logistiek moeilijk zijn als, bij sommige mensen, misselijkheid veroorzakend. In het ideale geval zou u dus vloeistoffen in een of andere vorm opnemen, omdat deze de neiging hebben om gemakkelijker op de maag te zijn, en u zou een zeer suikerzware (dat wil zeggen geconcentreerde) vloeistof willen om maximale brandstof aan de werkende te leveren spieren.

Of zou je? Het probleem met deze zeer plausibele benadering is dat wanneer stoffen die je eet of drinkt worden opgenomen door je darm, dit proces afhankelijk is van een osmotische gradiënt die de neiging heeft om stoffen in voedsel van de binnenkant van de darm naar het bloed dat je darm voert te trekken, dankzij de beweging van water. Wanneer de vloeistof die u consumeert sterk geconcentreerd is - dat wil zeggen, als het hypertoon is voor de vloeistoffen die de darm bekleden - verstoort het deze normale osmotische gradiënt en "zuigt" water van buitenaf terug in de darm, waardoor de opname van voedingsstoffen stopt en het hele doel van het innemen van suikerhoudende dranken op de Gaan.

Sportwetenschappers hebben zelfs de relatieve absorptie van verschillende sportdranken bestudeerd die verschillende suikerconcentraties bevatten en hebben ontdekt dat dit "contra-intuïtieve" resultaat de. is juiste. Dranken die hypotoon zijn, worden meestal het snelst geabsorbeerd, terwijl isotone en hypertone dranken langzamer worden geabsorbeerd, zoals gemeten aan de hand van de verandering in glucoseconcentratie in bloedplasma. Als je ooit sportdranken zoals Gatorade, Powerade of All Sport hebt geproefd, heb je waarschijnlijk gemerkt dat ze minder zoet smaken dan cola's of vruchtensap; dit komt omdat ze zijn ontworpen om een ​​lage toniciteit te hebben.

Overweeg het probleem waarmee mariene organismen - dat wil zeggen waterdieren die specifiek in de oceanen van de aarde leven - worden geconfronteerd: Ze leven niet alleen in extreem zout water, maar ze moeten hun eigen water en voedsel halen uit deze zeer hypertone oplossing van soorten; bovendien moeten ze er afvalproducten in uitscheiden (meestal als stikstof, in moleculen zoals ammoniak, ureum en urinezuur) en er zuurstof uit halen.

De overheersende ionen (geladen deeltjes) in zeewater zijn, zoals je zou verwachten, Cl^- (19,4 gram per kilogram water) en Na⁺ (10,8 g/kg). Andere actieve osmollen die van belang zijn in zeewater zijn sulfaat (2,7 g/kg), magnesium (1,3 g/kg), calcium (0,4 g/kg), kalium (0,4 g/kg) en bicarbonaat (0,142 g/kg).

De meeste mariene organismen zijn, zoals je zou verwachten, isotoon met zeewater als een fundamenteel gevolg van evolutie; ze hoeven geen speciale tactieken te gebruiken om het evenwicht te bewaren, omdat hun natuurlijke staat hen in staat heeft gesteld te overleven waar andere organismen dat niet hebben en niet kunnen. Haaien vormen echter een uitzondering, die lichamen in stand houden die hypertoon zijn voor zeewater. Ze bereiken dit door twee hoofdmethoden: ze houden een ongebruikelijke hoeveelheid ureum in hun bloed vast en de urine die ze uitscheiden is erg verdund of hypotoon in vergelijking met hun interne vloeistoffen.