Co to jest rozwiązanie hipertoniczne?

Większość ludzi zdaje sobie sprawę, że słone potrawy mają właściwość wywoływania pragnienia. Być może zauważyłeś również, że bardzo słodkie potrawy mają tendencję do robienia tego samego. Dzieje się tak, ponieważ sól (jako jony sodu i chloru) i cukry (jako cząsteczki glukozy) działają jako aktywne osmole po rozpuszczeniu w płynach ustrojowych, głównie składnik surowicy krwi. Oznacza to, że po rozpuszczeniu w roztworze wodnym lub biologicznym odpowiedniku mogą wpływać na kierunek, w którym porusza się pobliska woda. (Roztwór to po prostu woda z rozpuszczoną w niej jedną lub kilkoma innymi substancjami.)

„Ton” w znaczeniu mięśni oznacza „napięcie” lub w inny sposób oznacza coś, co jest ustalone w obliczu konkurujących sił w stylu ciągnięcia. Toniczność, w chemii, odnosi się do tendencji roztworu do wciągania wody w porównaniu z jakimś innym roztworem. Badanym rozwiązaniem może być: hipotoniczny, izotoniczny lub hipertoniczny w porównaniu z rozwiązaniem referencyjnym. Rozwiązania hipertoniczne mają duże znaczenie w kontekście życia na Ziemi.

Przed omówieniem implikacji względnych i bezwzględnych stężeń roztworów ważne jest zrozumieć, w jaki sposób są one określane ilościowo i wyrażane w chemii analitycznej i biochemia.

Często stężenie ciał stałych rozpuszczonych w wodzie (lub innych płynach) wyraża się po prostu w jednostkach masy podzielonych przez objętość. Na przykład poziom glukozy w surowicy jest zwykle mierzony w gramach glukozy na decylitr (dziesiąta część litra) surowicy lub g/dl. (To użycie masy podzielonej przez objętość jest podobne do stosowanego do obliczania gęstości, z wyjątkiem tego, że w pomiarach gęstości jest tylko jedna substancja w badaniu, np. gramy ołowiu na centymetr sześcienny ołowiu). pomiary; na przykład 60 g sacharozy rozpuszczonej w 1000 ml wody to 6% roztwór węglowodanów (60/1000 = 0,06 = 6%).

Jeśli chodzi o gradienty stężeń, które wpływają na ruch wody lub cząstek, ważne jest jednak, aby znać całkowitą liczbę cząstek na jednostkę objętości, niezależnie od ich wielkości. To właśnie ta, a nie całkowita rozpuszczona masa, wpływa na ten ruch, choć może to być sprzeczne z intuicją. W tym celu naukowcy najczęściej używają molarność (M), czyli liczba moli substancji na jednostkę objętości (zwykle litr). To z kolei jest określone przez masę molową lub masę cząsteczkową substancji. Zgodnie z konwencją jeden mol substancji zawiera 6,02 × 10²³ cząstki, z czego wynika liczba atomów w dokładnie 12 gramach pierwiastkowego węgla. Masa molowa substancji jest sumą mas atomowych jej atomów składowych. Na przykład wzór na glukozę to C₆H₁₂O₆ a masy atomowe węgla, wodoru i tlenu wynoszą odpowiednio 12, 1 i 16. Dlatego masa molowa glukozy wynosi (6 × 12) + (12 × 1) + (6 × 16) = 180 g.

Tak więc, aby określić molarność 400 ml roztworu zawierającego 90 g glukozy, najpierw określasz liczbę moli obecnej glukozy:

(90 g) × (1 mol/180 g) = 0,5 mol

Podziel to przez liczbę obecnych litrów, aby określić molarność:

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

Cząstki, które mogą swobodnie poruszać się w roztworze, zderzają się ze sobą losowo, a z czasem kierunki poszczególne cząstki powstałe w wyniku tych zderzeń znoszą się nawzajem, dzięki czemu nie ma żadnej zmiany stężenia netto wyniki. Mówi się, że rozwiązanie jest w równowaga pod tymi warunkami. Z drugiej strony, jeśli więcej substancji rozpuszczonej zostanie wprowadzone do zlokalizowanej części roztworów, zwiększona częstotliwość Zderzenia, które następują, powodują ruch netto cząstek z obszarów o wyższym stężeniu do obszarów o niższym stężenie. Nazywa się to dyfuzją i przyczynia się do ostatecznego osiągnięcia równowagi, inne czynniki pozostają niezmienne.

Obraz zmienia się drastycznie, gdy do mieszanki zostaną wprowadzone membrany półprzepuszczalne. Komórki są otoczone właśnie takimi błonami; „półprzepuszczalny” oznacza po prostu, że niektóre substancje mogą przenikać, a inne nie. Jeśli chodzi o błony komórkowe, małe cząsteczki, takie jak woda, tlen i gazowy dwutlenek węgla, mogą przemieszczać się i z komórki poprzez prostą dyfuzję, unikając białek i cząsteczek lipidów tworzących większość membrana. Jednak większość cząsteczek, w tym sód (Na⁺), chlorek (Cl^-), a glukoza nie, nawet jeśli istnieje różnica stężeń między wnętrzem komórki a jej otoczeniem.

Osmoza, przepływ wody przez błonę w odpowiedzi na różne stężenia substancji rozpuszczonych po obu stronach błony, jest jedną z najważniejszych koncepcji fizjologii komórkowej do opanowania. Około trzy czwarte ludzkiego ciała składa się z wody, podobnie jak inne organizmy. Równowaga płynów i zmiany są niezbędne dla przetrwania dosłownie z chwili na chwilę.

Tendencja do występowania osmozy nazywana jest ciśnieniem osmotycznym, a substancje rozpuszczone, które powodują ciśnienie osmotyczne, czego nie wszyscy mają, nazywane są aktywnymi osmolami. Aby zrozumieć, dlaczego tak się dzieje, warto pomyśleć o samej wodzie jako „substancji rozpuszczonej”, która przemieszcza się z jednej strony półprzepuszczalnej błony na drugą w wyniku własnego gradientu stężenia. Tam, gdzie stężenie substancji rozpuszczonej jest wyższe, „stężenie wody” jest niższe, co oznacza, że ​​woda będzie płynąć w kierunku od wysokiego stężenia do niskiego stężenia, tak jak każdy inny aktywny osmol. Woda po prostu przemieszcza się, aby wyrównać odległości koncentracji. Krótko mówiąc, właśnie dlatego jedząc słony posiłek odczuwasz pragnienie: Twój mózg reaguje na zwiększenie stężenia sodu w organizmie, prosząc Cię o wlanie większej ilości wody do organizmu – to sygnalizuje pragnienie.

Zjawisko osmozy wymusza wprowadzenie przymiotników opisujących względną koncentrację roztworów. Jak wspomniano powyżej, substancja, która jest mniej stężona niż roztwór odniesienia, nazywana jest hipotoniczną ("hypo" to greckie "pod" lub "niedobór"). Gdy oba roztwory są jednakowo stężone, są izotoniczne („iso” oznacza „takie same”). Gdy roztwór jest bardziej stężony niż roztwór odniesienia, jest hipertoniczny („hiper” oznacza „więcej” lub „nadmiar”).

Woda destylowana jest hipotoniczna w stosunku do wody morskiej; woda morska jest hipertoniczna w stosunku do wody destylowanej. Dwa rodzaje napojów gazowanych, które zawierają dokładnie taką samą ilość cukru i innych substancji rozpuszczonych, są izotoniczne.

Wyobraź sobie, co mogłoby się stać z żywą komórką lub grupą komórek, gdyby zawartość była wysoce skoncentrowana w porównaniu z otaczającymi tkankami, co oznacza, że ​​komórka lub komórki są hipertoniczne w stosunku do ich okolica. Biorąc pod uwagę to, czego dowiedziałeś się o ciśnieniu osmotycznym, można oczekiwać, że woda przemieści się do komórki lub grupy komórek, aby zrównoważyć wyższe stężenie substancji rozpuszczonych we wnętrzu.

Tak właśnie dzieje się w praktyce. Na przykład ludzkie czerwone krwinki, formalnie nazywane erytrocytami, mają zwykle kształt dysku i są wklęsłe po obu stronach, jak uszczypnięte ciasto. Jeśli zostaną one umieszczone w roztworze hipertonicznym, woda ma tendencję do opuszczania czerwonych krwinek, pozostawiając je zapadnięte i wyglądające jak kolce pod mikroskopem. Kiedy komórki są umieszczone w roztworze hipotonicznym, woda ma tendencję do wnikania i wzdęcia komórek, aby zrównoważyć gradient ciśnienia osmotycznego – czasami nie tylko pęczniejąc, ale i pękając komórki. Ponieważ eksplodowanie komórek wewnątrz organizmu nie jest na ogół korzystnym wynikiem, jasne jest, że unikanie dużych różnic ciśnienia osmotycznego w sąsiednich komórkach w tkankach ma kluczowe znaczenie.

Jeśli bierzesz udział w bardzo długich ćwiczeniach, takich jak 26,2-kilometrowy maraton biegowy lub triathlon (pływanie, jazda na rowerze i bieganie), cokolwiek zjadłeś wcześniej, może nie być wystarczy, aby utrzymać cię przez cały czas trwania imprezy, ponieważ twoje mięśnie i wątroba mogą przechowywać tylko tyle paliwa, z którego większość ma postać łańcuchów glukozy zwanych glikogen. Z drugiej strony spożywanie czegokolwiek poza płynami podczas intensywnych ćwiczeń może być trudne logistycznie, a u niektórych osób wywoływać nudności. Najlepiej byłoby więc przyjmować płyny w jakiejś formie, ponieważ są one łatwiejsze dla żołądka, a ty chciałby bardzo cukrowy (czyli skoncentrowany) płyn, aby dostarczyć maksimum paliwa do pracy mięśnie.

A może ty? Problem z tym bardzo prawdopodobnym podejściem polega na tym, że gdy substancje, które jesz lub pijesz, są wchłaniane przez jelita, proces ten opiera się na osmotyce gradient, który ma tendencję do wciągania substancji zawartych w pożywieniu z wnętrza jelita do krwi wyściełającej jelito, dzięki przemiataniu przez ruch woda. Kiedy spożywany płyn jest wysoce skoncentrowany – to znaczy, gdy jest hipertoniczny w stosunku do płynów wyściełających jelito – zaburza normalny gradient osmotyczny i "zasysa" wodę z powrotem do jelita z zewnątrz, powodując zatrzymanie wchłaniania składników odżywczych i niwecząc cały cel przyjmowania słodkich napojów na udać się.

W rzeczywistości naukowcy zajmujący się sportem zbadali względne szybkości wchłaniania różnych napojów dla sportowców zawierające różne stężenia cukru i stwierdzili, że ten „nie intuicyjny” wynik jest jeden poprawny. Napoje hipotoniczne są zwykle wchłaniane najszybciej, podczas gdy napoje izotoniczne i hipertoniczne są wchłaniane wolniej, co mierzy się zmianą stężenia glukozy w osoczu krwi. Jeśli kiedykolwiek próbowałeś napojów sportowych, takich jak Gatorade, Powerade lub All Sport, prawdopodobnie zauważyłeś, że smakują mniej słodko niż cola czy sok owocowy; to dlatego, że zostały zaprojektowane tak, aby miały niską toniczność.

Rozważmy problem, przed którym stoją organizmy morskie – czyli zwierzęta wodne żyjące w oceanach Ziemi: one nie tylko żyją w ekstremalnie słonej wodzie, ale muszą także czerpać wodę i pożywienie z tego wysoce hipertonicznego roztworu rodzaje; dodatkowo muszą wydalać do niego produkty przemiany materii (głównie w postaci azotu w cząsteczkach takich jak amoniak, mocznik i kwas moczowy) oraz czerpać z niego tlen.

Dominującymi jonami (naładowanymi cząstkami) w wodzie morskiej są, jak można się spodziewać, Cl^- (19,4 grama na kilogram wody) i Na⁺ (10,8 g/kg). Inne ważne osmole aktywne w wodzie morskiej to siarczan (2,7 g/kg), magnez (1,3 g/kg), wapń (0,4 g/kg), potas (0,4 g/kg) i wodorowęglan (0,142 g/kg).

Większość organizmów morskich, jak można się spodziewać, jest izotoniczna w stosunku do wody morskiej, co jest podstawową konsekwencją ewolucji; nie muszą stosować żadnej specjalnej taktyki, aby utrzymać równowagę, ponieważ ich naturalny stan pozwolił im przetrwać tam, gdzie inne organizmy nie mają i nie mogą. Wyjątkiem są rekiny, które utrzymują ciała hipertoniczne w stosunku do wody morskiej. Osiągają to za pomocą dwóch głównych metod: Zatrzymują niezwykłą ilość mocznika we krwi, a wydalany przez nich mocz jest bardzo rozcieńczony lub hipotoniczny w porównaniu z ich płynami wewnętrznymi.