Hva er hypertonisk løsning?

De fleste er klar over at salt mat har egenskapen til å fremkalle tørst. Kanskje du også har lagt merke til at veldig søt mat har en tendens til å gjøre det samme. Dette er fordi salt (som natrium- og kloridioner) og sukker (som glukosemolekyler) fungerer som aktive osmoles når den er oppløst i kroppsvæsker, først og fremst serumkomponenten i blodet. Dette betyr at når de er oppløst i vandig løsning eller den biologiske ekvivalenten, har de potensialet til å påvirke retningen der nærliggende vann vil bevege seg. (En løsning er rett og slett vann med ett eller flere andre stoffer oppløst i det.)

"Tone", i betydningen muskler, betyr "stramhet" eller på annen måte innebærer noe som er løst i møte med konkurrerende trekk-stil krefter. Tonicitet, i kjemi, refererer til tendensen til en løsning å trekke inn vann sammenlignet med en annen løsning. Løsningen som studeres kan være hypotonisk, isotonisk eller hypertonisk sammenlignet med referanseløsningen. Hypertoniske løsninger har betydelig betydning i sammenheng med livet på jorden.

Før vi diskuterer implikasjonene av relative og absolutte konsentrasjoner av løsninger, er det viktig å forstå måtene disse blir kvantifisert og uttrykt i analytisk kjemi og biokjemi.

Konsentrasjonen av faste stoffer oppløst i vann (eller andre væsker) uttrykkes ofte ganske enkelt i masseenheter delt på volum. For eksempel måles serumglukose vanligvis i gram glukose per desiliter (tiendedel liter) serum, eller g / dL. (Denne massebruken delt på volum er lik den som brukes til å beregne tetthet, bortsett fra at det i tetthetsmålinger bare er ett stoff under studien, f.eks. gram bly per kubikkcentimeter bly.) Massen av oppløst stoff per volumsenhet løsningsmiddel er også grunnlaget for "prosent masse" målinger; for eksempel er 60 g sukrose oppløst i 1000 ml vann en 6 prosent karbohydratoppløsning (60/1000 = 0,06 = 6%).

Når det gjelder konsentrasjonsgradienter som påvirker bevegelsen av vann eller partikler, er det imidlertid viktig å vite det totale antallet partikler per volumsenhet, uavhengig av størrelse. Det er denne, ikke totale løsemassen, som påvirker denne bevegelsen, kontraintuitiv, selv om dette kan være. For dette bruker forskere oftest molaritet (M), som er antall mol av et stoff per volumsenhet (vanligvis en liter). Dette er i sin tur spesifisert av molmassen eller molekylvekten til et stoff. Som konvensjon inneholder en mol av et stoff 6,02 × 10²³ partikler, avledet av dette er antall atomer i nøyaktig 12 gram elementært karbon. Den molare massen til et stoff er summen av atomvektene til dets bestanddeler. For eksempel er formelen for glukose C₆H₁₂O₆ og atommassene av karbon, hydrogen og oksygen er henholdsvis 12, 1 og 16. Derfor er den molare massen av glukose (6 × 12) + (12 × 1) + (6 × 16) = 180 g.

For å bestemme molariteten til 400 ml løsning som inneholder 90 g glukose, bestemmer du først antall mol glukose:

(90 g) × (1 mol / 180 g) = 0,5 mol

Del dette med antall liter til stede for å bestemme molariteten:

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

Partikler som er frie til å bevege seg rundt i løsning, kolliderer tilfeldig med hverandre og over tid, retningene til individuelle partikler som følge av disse kollisjonene avbryter hverandre slik at ingen nettoendring i konsentrasjon resultater. Løsningen sies å være i likevekt under disse forholdene. På den annen side, hvis mer løsemiddel blir introdusert i en lokalisert del av løsningene, øker frekvensen av kollisjoner som følger resulterer i en netto bevegelse av partikler fra områder med høyere konsentrasjon til områder med lavere konsentrasjon. Dette kalles diffusjon og bidrar til den ultimate oppnåelsen av likevekt, andre faktorer holdes konstant.

Bildet endres drastisk når semi-permeable membraner blir introdusert til blandingen. Celler er omsluttet av akkurat slike membraner; "semi-permeable" betyr ganske enkelt at noen stoffer kan passere gjennom mens andre ikke kan. Når det gjelder cellemembraner, kan små molekyler som vann, oksygen og karbondioksidgass bevege seg inn i og ut av cellen via enkel diffusjon, og unngår proteiner og lipidmolekyler som danner det meste av membran. De fleste molekyler, inkludert natrium (Na⁺), klorid (Cl^-) og glukose kan ikke, selv når det er en konsentrasjonsforskjell mellom det indre av cellen og det ytre av cellen.

Osmose, strømmen av vann over en membran som svar på differensielle konsentrasjoner av løsemiddel på hver side av membranen, er et av de viktigste cellulære fysiologikonseptene å mestre. Rundt tre fjerdedeler av menneskekroppen består av vann, og tilsvarende for andre organismer. Væskebalanse og skift er avgjørende for bokstavelig overlevelse øyeblikkelig.

Tendensen til osmose å oppstå kalles osmotisk trykk, og oppløste stoffer som resulterer i osmotisk trykk, som ikke alle gjør, kalles aktive osmoler. For å forstå hvorfor det skjer, er det nyttig å tenke på selve vannet som en "løsemiddel" som beveger seg fra den ene siden av den semipermeable membranen til den andre som et resultat av sin egen konsentrasjonsgradient. Der løsemiddelkonsentrasjonen er høyere, er "vannkonsentrasjon" lavere, noe som betyr at vann vil strømme i en høy-konsentrasjon-til-lav-konsentrasjonsretning, akkurat som enhver annen aktiv osmol. Vann beveger seg rett og slett for å jevne ut konsentrasjonsavstandene. I et nøtteskall er det derfor du blir tørst når du spiser et salt måltid: Hjernen din reagerer på økt natriumkonsentrasjon i kroppen din ved å be deg om å legge mer vann i systemet - det signaliserer tørst.

Fenomenet osmose tvinger introduksjonen av adjektiver for å beskrive den relative konsentrasjonen av løsninger. Som berørt ovenfor kalles et stoff som er mindre konsentrert enn en referanseløsning hypotonisk ("hypo" er gresk for "under" eller "mangel"). Når de to løsningene er like konsentrerte, er de isotoniske ("iso" betyr "samme"). Når en løsning er mer konsentrert enn referanseløsningen, er den hypertonisk ("hyper" betyr "mer" eller "overflødig").

Destillert vann er hypotonisk for sjøvann; sjøvann er hypertonisk til destillert vann. To typer brus som inneholder nøyaktig samme mengde sukker og andre oppløste stoffer er isotonisk.

Tenk deg hva som kan skje med en levende celle eller gruppe av celler hvis innholdet var sterkt konsentrert sammenlignet med det omkringliggende vevet, noe som betyr at cellen eller cellene er hypertoniske mot deres omgivelser. Gitt hva du har lært om osmotisk trykk, forventer du at vann vil bevege seg inn i cellen eller gruppen av celler for å oppveie den høyere konsentrasjonen av oppløste stoffer i det indre.

Det er akkurat dette som skjer i praksis. For eksempel er menneskelige røde blodlegemer, formelt kalt erytrocytter, normalt skiveformede og konkave på begge sider, som en kake som har blitt klemt. Hvis disse plasseres i en hypertonisk oppløsning, har vann en tendens til å forlate de røde blodcellene, slik at de kollapset og "spiky" ser ut under et mikroskop. Når cellene plasseres i en hypoton løsning, har vann en tendens til å bevege seg inn og oppblåse cellene til kompensere for den osmotiske trykkgradienten - noen ganger til det punktet at det ikke bare er hevelse, men sprengning celler. Siden celler som eksploderer inne i kroppen generelt ikke er et gunstig utfall, er det klart at det er viktig å unngå store osmotiske trykkforskjeller i tilstøtende celler i vev.

Hvis du er engasjert i en veldig lang periode med trening, for eksempel en løpemaraton på 26,2 kilometer eller en triatlon (en svømmetur, en sykkeltur og en løpetur), er det ikke sikkert du har spist på forhånd. være nok til å opprettholde deg under hele arrangementet fordi musklene og leveren din bare kan lagre så mye drivstoff, hvorav de fleste er i form av glukokjeder som kalles glykogen. På den annen side kan inntak av noe annet enn væsker under intens trening være både logistisk og, i noen mennesker, kvalmeinduserende. Ideelt sett vil du ta inn væsker av en eller annen form fordi disse pleier å være lettere for magen, og du ønsker en veldig sukker-tung (dvs. konsentrert) væske for å levere maksimalt drivstoff til arbeideren muskler.

Eller ville du gjort det? Problemet med denne veldig plausible tilnærmingen er at når stoffer du spiser eller drikker absorberes av tarmen, er denne prosessen avhengig av en osmotisk gradient som har en tendens til å trekke stoffer i mat fra innsiden av tarmen til blodet i tarmen, takket være å bli feid opp av bevegelsen av vann. Når væsken du bruker er svært konsentrert - det vil si hvis den er hypertonisk til væskene i tarmen - forstyrrer den denne normale osmotiske gradienten og "suger" vann inn i tarmen fra utsiden, og fører til at absorpsjonen av næringsstoffer stanser og beseirer hele formålet med å ta inn sukkerholdige drikker på gå.

Faktisk har sportsforskere studert de relative absorpsjonshastighetene til forskjellige sportsdrikker inneholder varierende konsentrasjoner av sukker og har funnet dette "kontraintuitive" resultatet å være riktig. Drikker som er hypotone, absorberes gjerne raskest, mens isotoniske og hypertoniske drikker absorberes langsommere, målt ved endring i glukosekonsentrasjon i blodplasma. Hvis du noen gang har prøvd sportsdrikker som Gatorade, Powerade eller All Sport, har du sannsynligvis lagt merke til at de smaker mindre søte enn cola eller fruktjuice. Dette er fordi de er konstruert for å ha lite tonisitet.

Tenk på problemet som marine organismer - det vil si akvatiske dyr som spesifikt lever i jordens hav - står overfor: De lever ikke bare i ekstremt salt vann, men de må få sitt eget vann og mat fra denne høyt hypertoniske løsningen av sorterer; i tillegg må de skille ut avfallsprodukter i det (for det meste som nitrogen, i molekyler som ammoniakk, urea og urinsyre), samt å få oksygen fra det.

De dominerende ionene (ladede partiklene) i sjøvann er, som du forventer, Cl^- (19,4 gram per kilo vann) og Na⁺ (10,8 g / kg). Andre aktive osmoler av betydning i sjøvann inkluderer sulfat (2,7 g / kg), magnesium (1,3 g / kg), kalsium (0,4 g / kg), kalium (0,4 g / kg) og bikarbonat (0,142 gr / kg).

De fleste marine organismer, som du kanskje forventer, er isotone for sjøvann som en grunnleggende konsekvens av evolusjonen; de trenger ikke bruke noen spesiell taktikk for å opprettholde likevekt fordi deres naturlige tilstand har tillatt dem å overleve der andre organismer ikke har og ikke kan. Haier er imidlertid et unntak og opprettholder kropper som er hypertoniske for sjøvann. De oppnår dette gjennom to hovedmetoder: De beholder en uvanlig mengde urea i blodet, og urinen de skiller ut er veldig fortynnet eller hypotonisk sammenlignet med deres indre væsker.